Способ и устройство для снижения послевзрывного давления в перфораторе (варианты)
Изобретение относится к улучшению гидродинамической связи между пластом и стволом скважины. Обеспечивает эффективное снижение послевзрывного давления в перфораторе. Устройство по первому варианту содержит перфоратор с по меньшей мере одним зарядом взрывчатых веществ и приспособление для снижения давления, включающее теплопоглотитель для быстрого снижения температуры взрывного газа. Устройство по второму варианту содержит перфоратор с по меньшей мере одним зарядом взрывчатых веществ, приспособление для снижения температуры взрывного газа и приспособление для снижения молярной плотности взрывного газа. Способ включает использование перфоратора с зарядами взрывчатых веществ, подрыв взрывных зарядов и снижение давления взрывного газа вблизи перфоратора путем снижения молярной плотности взрывного газа. 3 н. и 39 з.п. ф-лы, 1 табл., 11 ил.
Настоящее изобретение в целом относится к улучшению гидродинамической связи между пластом и стволом скважины и, более точно, к снижению давления газа в перфораторе во время операции перфорирования.
Перфорирование является операцией вскрытия пласта, которая обеспечивает сообщение текучих сред между подземным геологическим образованием и стволом скважины, что, в свою очередь, связывает пласт с поверхностью земли.
Целью изобретения является облегчение регулируемого потока текучих сред между пластом и стволом скважины.
Операции перфорирования выполняются путем быстрого спуска кабеля с перфоратором вниз ствола скважины к желаемому пласту и подрыв взрывных зарядов. Взрывчатка закладывает значительную энергию в месторождение в течение микросекунд.
При успешном соединении пласта со стволом скважины результат перфорирования может оказаться вредным для локальной пористой структуры месторождения (проницаемость) и, следовательно, продуктивности месторождения. Ущерб в этой зоне удара обычно смягчается поднимающимся потоком, при котором поврежденная порода быстро "всасывается" в ствол скважины. Приток в оперативном отношении достигается перфорированием с отрицательным дифференциальным давлением, при котором давление в стволе скважины меньше, чем давление в пласте.
Однако перфорирование с отрицательным дифференциальным давлением (перфорирование при депрессии) не всегда эффективно. Было определено, что одна из причин того, что перфорирование с отрицательным дифференциальным давлением может быть неэффективным, обусловлено "несбалансированностью среды", давление в которой временно становится выше, чем в пласте, что приводит к потоку текучих сред в пласт, препятствуя желаемому очищающему притоку. Эта "динамическая репрессия" вызвана газом, находящимся под высоким давлением, который может влиять на давление в стволе скважины. Другими словами, перфоратором как компонентом среды перфорирования до сих пор пренебрегали. Аккуратный анализ и регулирование давления внутри перфоратора важно для проектирования и осуществления эффективной операции перфорирования.
Известно устройство для снижения послевзрывного давления в перфораторе, содержащее перфоратор, несущий по меньшей мере один заряд взрывчатых веществ, при подрыве которого образуется взрывной газ под давлением, и приспособление для снижения давления, функционально связанное с перфоратором и предназначенное для снижения давления взрывного газа (см., например, Григорян Н.Г. и др. Прострелочные и взрывные работы в скважинах, 1972 г.).
Известен способ снижения послевзрывного давления в перфораторе, включающий обеспечение перфоратора, имеющего заряды взрывчатых веществ, и подрыв взрывных зарядов, производящих взрывной газ под давлением, и снижение давления взрывного газа вблизи перфоратора для облегчения притока текучих сред формации (см., например, патент России 2029076, 20.02.1995).
Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для регулирования давления в перфораторе во время операции перфорирования, обеспечивающих эффективное снижение послевзрывного давления в перфораторе.
Согласно изобретению создано устройство для снижения послевзрывного давления в перфораторе, содержащее перфоратор, несущий по меньшей мере один заряд взрывчатых веществ, при подрыве которого образуется взрывной газ под давлением, и приспособление для снижения давления, функционально связанное с перфоратором и предназначенное для снижения давления взрывного газа. Согласно изобретению приспособление для снижения давления включает теплопоглотитель, пригодный для быстрого снижения температуры взрывного газа.
Приспособление для снижения давления может быть помещено вблизи перфоратора или внутри перфоратора.
Приспособление для снижения давления может являться частью перфоратора.
Теплопоглотитель может иметь высокую теплопроводность или большую теплоемкость.
Теплопоглотитель может включать медь или воду или микроинкапуслированные водяные шарики.
Приспособление для снижения давления может включать реагент, подходящий для рекомбинирования с взрывным газом для снижения молярной плотности взрывного газа. Реагент может быть выбран из группы, состоящей из Al, Ca, Li, Mg, Та, Ti, Zr и их комбинаций.
Приспособление для снижения давления может включать секцию сжатия, функционально связанную с перфоратором. Секция сжатия может включать сжимаемый материал.
Согласно изобретению создано устройство для снижения послевзрывного давления в перфораторе, содержащее перфоратор, несущий по меньшей мере один заряд взрывчатых веществ, при подрыве которого образуется взрывной газ под давлением, и согласно изобретению, имеющее приспособление для снижения температуры, функционально связанное с перфоратором и предназначенное для снижения температуры взрывного газа, и приспособление для снижения молярной плотности, функционально связанное с перфоратором и предназначенное для снижения молярной плотности взрывного газа.
Приспособление для снижения температуры может быть помещено вблизи перфоратора или в перфораторе или может являться частью перфоратора.
Приспособление для снижения молярной плотности может быть расположено вблизи перфоратора, или в перфораторе и может являться частью перфоратора.
Приспособление для снижения температуры может включать теплопоглотитель, пригодный для быстрого снижения температуры взрывного газа.
Теплопоглотитель может иметь высокую теплопроводность, большую теплоемкость, может включать медь или воду или микроинкапсулированные водяные шарики.
Приспособление для снижения молярной плотности может являться реагентом, способным рекомбинировать с взрывным газом с образованием твердого вещества.
Приспособление для снижения температуры и приспособление для снижения молярной плотности могут включать секцию сжатия, функционально связанную с камерой перфоратора. Секция сжатия может включать сжимаемый материал.
Согласно изобретению создан способ снижения послевзрывного давления в перфораторе, включающий обеспечение перфоратора, имеющего заряды взрывчатых веществ, и подрыв взрывных зарядов, производящих взрывной газ под давлением, и снижение давления взрывного газа вблизи перфоратора для облегчения притока текучих сред формации. Согласно изобретению снижения давления взрывного газа осуществляют путем снижения молярной плотности взрывного газа.
Для снижения давления взрывного газа используют теплопоглотитель, функционально связанный с перфоратором и пригодный для снижения температуры взрывного газа.
Для снижения давления газа можно использовать секцию сжатия, функционально связанную с перфоратором для снижения давления взрывного газа.
Для снижения давления газа можно использовать реагент, пригодный для рекомбинирования с взрывным газом с образованием твердых веществ.
Можно использовать теплопоглотитель, включающий медь или воду.
Можно использовать секцию сжатия, включающую сжимаемую пружину или сжимаемую жидкость, или сжимаемое твердое вещество.
Реагент может быть выбран из группы, состоящей из Al, Са, Li, Mg, Та, Ti, Zr и их комбинаций.
Настоящее изобретение улучшает гидродинамическую связь между стволом скважины и пластом путем снижения послевзрывного давления в перфораторе. Оно обеспечивает быстрее сведение к минимуму послевзрывного давления, созданного внутри корпуса перфоратора. Снижение послевзрывного давления уменьшает тенденцию к увеличению послевзрывного давления в стволе скважины. Кроме того, достаточно низкое давление в перфораторе может вызвать поднятие потока текучих сред в перфоратор, вызывая таким образом быстрый переход перепада давления в стволе скважины, который первоначально был положительным, в отрицательный. Этот метод называют "динамический отрицательный перепад давления".
Давление в газе в любой момент времени является однозначной функцией его температуры и молярной плотности (число молекул газа на единицу объема). Следовательно, чтобы снизить давление газа, нужно использовать механизм, который снижает температуру и/или молярную плотность газа.
Первичным источником давления внутри перфоратора является взрывчатое вещество заряда. "Полезная" доля химической энергии взрывчатого вещества превращается в реактивную кинетическую энергию, которая, в свою очередь, смещает материал мишени, создавая тем самым желаемый перфорационный канал. Дополнительная энергия передается в корпус, в котором заключен заряд, в виде кинетической энергии. Меньшая, но потенциально значительная, энергия может передаться в обшивку и/или кожух в виде тепла из-за разрушения пор, ударного нагрева, пластической деформации и разрыва. Остаточная энергия взрывного газа проявляется в горячем газе высокого давления, часть которого может выйти из перфоратора и повысить давление в стволе скважины. Желательно свести до минимума давление этой остаточной энергии взрыва или "бесполезной энергии". Хотя бесполезная энергия со временем рассеивается через механизмы теплопереноса, но в масштабе времени (десятки миллисекунд), относящегося к подъемному потоку, ее остается много. Обычно остаточный взрывной газ внутри перфоратора обладает приблизительно 30 процентами первоначальной химической энергии взрывчатого вещества (до всякого теплопереноса). Остальные 70 процентов разделены, грубо, между обшивкой, 30 процентов, и корпусом, 40 процентов.
Для целей описания, термин "эффективность энергии" определен здесь как количество остаточной (бесполезной) энергии во взрывном газе от начальной химической энергии невзорванного взрывчатого вещества. Обычные заряды для перфорирования имеют значения бесполезной энергии порядка 30 процентов. 30-процентная бесполезная энергия может быть немного снижена, до приблизительно 25 процентов, применяя изменения в конструкции заряда, такие, как увеличение толщины, массы, прочности и/или упругости носителя. Целью настоящего изобретения является еще больше уменьшить бесполезную энергию, снижая тем самым послевзрывное давление в газе.
Как описано выше в одном варианте осуществления настоящего изобретения послевзрывное давление снижают, используя быстродействующий отвод тепловой энергии для быстрого охлаждения газа. Охлаждение ведет напрямую к сбросу давления.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения давление взрывного газа снижают путем снижения молярной плотности газа. Молярную плотность взрывного газа снижают путем реакции газообразных продуктов взрыва для образования твердых соединений.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения включает снижение послевзрывного давления газа в перфораторе путем снижения температуры и молярной плотности взрывного газа. Одним способом является комбинация быстродействующего теплопоглотителя, такого, как показанный в первом варианте осуществления, и использование реагента для снижения молярной плотности продуктов взрыва для образования твердых соединений, как показано во втором варианте осуществления. Другой способ заключается в использовании бесполезной энергии для совершения работы.
Соответственно создано устройство для снижения послевзрывного давления в перфораторе. Устройство включает перфоратор, несущий по меньшей мере один взрывной заряд, который при подрыве образует взрывной газ под давлением, и приспособление для снижения давления взрывного газа вблизи перфоратора. Давление взрывного газа желательно снижается в течение временных рамок, достаточных для "всасывания" текучих сред из ствола скважины в перфоратор, образуя динамически несбалансированные условия для облегчения поднятия потока текучих сред из пласта в ствол скважины.
Приспособление для снижения давления может включать, отдельно или в комбинации, теплопоглотитель для снижения температуры взрывного газа, реагент для рекомбинации с реагирующим газом и снижения молярной плотности взрывного газа, и приспособление для физического сжатия для использования бесполезной энергии взрывного газа, чтобы произвести работу, снижающую температуру газа, и понизить молярную плотность взрывного газа.
Упомянутые выше и другие свойства и аспекты настоящего изобретения будут лучше поняты со ссылками на следующее подробное описание конкретных вариантов осуществления изобретения, если его читать вместе с приложенными чертежами, на которых изображено следующее.
Фиг.1 является графиком первых 20 миллисекунд после взрыва заряда взрывчатых веществ в испытании по методу закрытой бомбы с применением различных теплопоглощающих материалов;
Фиг.2 является графиком первой секунды после взрыва заряда взрывчатых веществ в испытании по методу закрытой бомбы с применением различных теплопоглощающих материалов;
Фиг.3А является частичным видом поперечного разреза одного варианта осуществления перфоратора настоящего изобретения, использующего дополнительный теплопоглотитель;
Фиг.3В является частичным видом поперечного разреза одного варианта осуществления перфоратора настоящего изобретения, использующего дополнительный теплопоглотитель;
Фиг.3С является частичным видом поперечного разреза одного варианта осуществления перфоратора настоящего изобретения, использующего дополнительный теплопоглотитель;
Фиг.4А является частичным видом поперечного разреза одного варианта осуществления перфоратора настоящего изобретения, включающего реагент;
Фиг.4В является частичным видом поперечного разреза одного варианта осуществления перфоратора настоящего изобретения, включающего реагент;
Фиг.4С является частичным видом поперечного разреза одного варианта осуществления перфоратора настоящего изобретения, включающего реагент;
Фиг.5А является схематическим изображением перфоратора настоящего изобретения, включающего секцию механического сжатия, в момент времени 1, когда заряд взрывчатых веществ подорван;
Фиг.5В является схематическим представлением перфоратора настоящего изобретения, включающего секцию механического сжатия, в момент времени 2, когда заряд взрывчатых веществ подорван; и
Фиг.5С является графической иллюстрацией падения давления взрывного газа и увеличения давления на механический сжимаемый материал от времени после подрыва зарядов, через несколько миллисекунд после подрыва взрывных зарядов.
Обратимся теперь к чертежам, на которых изображенные элементы не обязательно показаны в масштабе, и на которых одинаковые или сходные элементы обозначены одинаковыми ссылочными номерами по нескольким видам.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения послевзрывное давление снижают, применяя быстродействующий отвод тепловой энергии, который быстро охлаждает газ. Охлаждение ведет непосредственно к сбросу давления. Дополнительным выигрышем от охлаждения является потенциальная конденсация любого водяного пара, который, как хорошо известно, содержит значительное количество взрывного газа. Конденсация снижает плотность газа и, при условии достаточно высоких скоростей теплопередачи, существенно понижает давление.
Эффективные теплопоглотители должны обладать двумя внутренними свойствами: быстрое поглощение тепла (высокая теплопроводность) и большая способность накопления тепловой энергии. Способность накопления энергии может быть выражена в удельной теплоемкости и/или энтальпии фазового перехода. Примеры материалов, проявляющих высокие теплопроводности, высокие теплоемкости и/или высокие энтальпии фазового перехода, включают, без ограничений, сталь, медь, серебро, никель и воду.
Из металлов лучшую комбинацию высокой проводимости (быстрое поглощение тепла) и теплоемкости (количество поглощенного тепла) обнаруживает медь. В данном обсуждении все характеристики материалов взяты при стандартных условиях. Вода обладает самой большой теплопроводностью из всех обычных материалов, проводя тепло на 40 процентов быстрее, чем серебро, и на 50 процентов быстрее, чем чистая медь. Вода также обладает очень большой объемной удельной теплоемкостью, примерно на 23 процента выше, чем теплоемкости стали или меди. Кроме того, вода имеет очень высокую теплоту испарения (2,2 кДж/г). Именно эта последняя характеристика и тот факт, что температуры газа внутри перфоратора обычно превышают точку кипения воды, оставаясь значительно ниже точки кипения металлов, наиболее существенно отличают воду от других материалов.
Помимо этих внутренних свойств важна также физическая конфигурация. Близость теплопоглотителя к взрывному газу, площадь открытой поверхности и полное количество теплопоглощающего материала в большой степени определяют степень и скорость передачи энергии. Эксперименты продемонстрировали эффективность различных теплопоглотителей при быстром снижении давления взрывного газа. Эксперименты проводились по методу "закрытой бомбы", на котором записывалось давление выделяющегося газа, когда небольшое количество взрывчатого вещества взрывали в герметичной камере. В каждом эксперименте оценивались различные кандидаты на теплопоглотитель, и измеренное давление газа использовалось как индикатор эффективности поглощения энергии.
Фиг.1 и 2 показывают данные по давлению из этих экспериментов. Фиг.1 показывает графически первые 20 миллисекунд после взрыва. Фиг.2 показывает графически целую секунду после взрыва. В каждом испытании взрыв заряда завершался приблизительно за 10 микросекунд, от 3 до 5 миллисекунд ударные переходные процессы затухали, и достигалось пространственное равновесие.
На фиг.1 и 2 показаны четыре кривые, иллюстрирующие изменение давления во времени для четырех отдельных испытаний.
Кривая 1 (верхняя кривая) представляет собой результаты контрольного эксперимента, на котором теплопоглотитель не добавляли. Давление в эксперименте ослабевало благодаря тому, что корпус "закрытой бомбы" сам по себе действует как теплопоглотитель. Это линия отсчета, от которой оценивалась эффективность дополнительных теплопоглотителей.
Во втором эксперименте в камеру закрытой бомбы был введен медный порошок. Кривая 2 (вторая кривая сверху) показывает давление во времени для медного порошка. Медный порошок эффективно снижал давление в течение первых 5-10 миллисекунд после взрыва.
В третьем эксперименте в камеру закрытой бомбы вводили воду. Объем воды в испытаниях был равен полному объему меди, испытанной во втором эксперименте. Для количеств, использованных в испытываемой конфигурации, вода снижала давление газа (кривая 3) более эффективно, чем медь, и делала это в течение первых 2-5 миллисекунд.
В четвертом эксперименте в закрытую бомбу вводили микроинкапсулированные водяные шарики. Шарики были в основном тонким порошком, в котором каждая частица порошка являлась тонкой пластиковой оболочкой, наполненной водой. Количество воды, содержащейся в порошке, было таким же, что и количество воды, использованной в третьем эксперименте. Давление от времени (кривая 4) показано выше кривой 3.
Фиг.3А является частичным видом поперечного разреза одного варианта осуществления перфоратора 10 настоящего изобретения. Перфоратор 10 включает корпус 12 перфоратора, камеру 18 перфоратора, взрывные заряды 14, носители 14а заряда и приспособление для снижения давления внутри перфоратора. В этом варианте осуществления это приспособление является теплопоглотителем 16, расположенным вблизи зарядов 14 внутри перфоратора 10. Теплопоглотители (устройства для снижения температуры) 16 снижают температуру и, следовательно, давление взрывного газа, образованного взрывом зарядов 14.
Фиг.3А показывает теплопоглощающий материал 16, расположенный внутри камеры 18 перфоратора или соединенный с или встроенный в корпус 12 заряда. Следует понимать, что теплопоглотитель 16 может быть образован или помещен во множество точек вблизи взрывных зарядов 14 и образующегося в результате взрывного газа (не показанного, но который почти полностью наполняет камеру 18 перфоратора). Примеры, без ограничений, различных положений для размещения теплопоглотителя 16 показаны на разных фигурах.
Фиг.3В является частичным видом поперечного разреза другого варианта осуществления перфоратора 10 настоящего изобретения, включающего дополнительный теплопоглотитель 16. В этом варианте осуществления теплопоглотитель 16 встроен в крышку 20, которая расположена вблизи лицевой стороны 22 взрывного заряда 14.
Фиг.3С является частичным видом поперечного разреза другого варианта осуществления перфоратора 10 настоящего изобретения, включающего дополнительный теплопоглотитель 16. В этом варианте осуществления теплопоглотитель 16 введен в корпус 14а взрывных зарядов 14.
Показанные теплопоглотители могут быть образованы из любого материала, имеющего одну или несколько следующих характеристик: высокая теплоемкость (удельная теплоемкость и/или энтальпия фазового перехода), высокая теплопроводность, высокая площадь поверхности, высокая энтальпия испарения. Материалы теплопоглотителя 16 включают, без ограничений, измельченные твердые вещества, порошки и монолитные объемы, в том числе воду, медь или другие подходящие материалы. Материал теплопоглотителя 16 может быть встроен, помещен в или соединен с носителем 14а перфорирующего заряда, корпусом 12 перфоратора, камерой 18 перфоратора, загрузочной трубой (не показана) или другими участками перфоратора 10.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения послевзрывное давление газа снижают приспособлением для снижения молярной плотности. Для целей настоящего описания, на больших промежутках времени конечное равновесное давление газа определяется его молярной плотностью, поскольку температура газа будет равной температуре, преобладающей в стволе скважины. Следовательно, единственным средством для снижения давления на больших промежутках времени является снижение молярной плотности на больших промежутках времени. Далее, для настоящего варианта осуществления, предполагается фиксированный объем системы, так что снижение молярной плотности означает то же, что и снижение числа молей или молекул газа.
Для перфораторной системы, имеющей бесконечно быстрый теплоперенос, когда взрывной газ мгновенно охлаждается до температуры, преобладающей в стволе скважины, давление все еще может оставаться нежелательно высоким, если молярная плотность газа высока. В действительности теплоперенос конечен, и настоящий вариант осуществления может увеличить температуру газа за короткий срок, возможно, достаточно, чтобы произвести чистое увеличение давления. Однако при достаточно быстром теплопереносе настоящее изобретение эффективно снижает давление внутри перфоратора в интересующем масштабе времен. Настоящий вариант осуществления можно применять также в других применениях, не для перфорирования, для снижения давления на больших промежутках времени.
Вообще, идеальные (CHNO) взрывчатые вещества разлагаются с образованием в первую очередь следующих видов молекул: N2, H2O, СО2, СО и С. Все они газообразные, за исключением угля, который обычно является твердым графитом (сажей). Существуют и другие незначительные примеси газов, но эти составляют основную часть газа, образующегося в результате взрыва. Для последующих расчетов количества молей газа предполагается, что N2 и H2O составляют каждый приблизительно по 40 процентов, а CO2 и СО составляют оставшиеся 20 процентов.
Настоящий вариант осуществления описывает уменьшение количества первичных газообразных веществ путем рекомбинации составляющих их атомов с другими реагентами, с получением одного или нескольких следующих классов твердых соединений (многие из которых являются хорошо известной керамикой): нитриды, оксиды, гидроксиды и гидриды. Для систем с фиксированным объемом настоящий вариант осуществления дает в результате снижение молярной плотности взрывного газа.
Оксиды. Следующие реагенты образуют более стабильные оксиды, чем СО, CO2 или H2O (самое благоприятное соединение для каждого указано в скобках): Al (Al2O3), В (B2O3), Ва (ВаО), Са (СаО), Fe (Fe3O4), K (K2O), Li (Li2O), Mg (MgO), Mn (MnO), Мо(MoO2), Na (Na2O), Si (SiO2),Sn (SnO2), Та (Ta2O5), Ti (TiO), V (V2O3), W (WO2), Zn (ZnO), Zr (ZrO2). Восстановление СО и CO2 в С (твердый) снизило бы полную молярную плотность газа приблизительно на 20 процентов.
Гидроксиды и гидриды. Некоторые из указанных выше элементов также образуют гидроксиды, и/или их комбинации образуют оксиды. Те, что образованы натрием и калием, более стабильны, чем основные оксиды: К2В4O7, KOH, Na2В4O7 и NaOH. Другие элементы образуют гидроксиды, которые менее стабильны, чем их оксиды (но все же более стабильны, чем вода): Al, Ba, Ca, Fe, Li, Mg, Sn, Zn.
Следующие реагенты образуют гидриды, ни один из них не является более стабильным, чем H2O, так что их образованию должно предшествовать восстановление до Н2 другими средствами (обсужденными выше) (самое благоприятное соединение для каждого указано в скобках): Al (AlH3), Ca (СаН2), Li (LiH), Mg (MgH2), K (KH), Na (NaH), Та (Ta2H), Ti (TiH2), Zr (ZrH2). Расход всего кислорода и водорода снизил бы полную молярную плотность газа приблизительно на 60 процентов.
Нитриды. Следующие реагенты образуют стабильные нитриды (самое благоприятное соединение для каждого указано в скобках): Al (AlN), В (BN), Ca (Са3N2), Li (Li3N), Mg (Mg3N2), Si (Si3N4), Та (TaN), Ti (TiN), V (VN), Zr (ZrN). Расход всего азота снизил бы полную молярную плотность газа приблизительно на 40 процентов.
Из приведенных выше списков были установлены элементы, которые образуют стабильные нитриды, оксиды и гидроксиды или гидриды; теоретически они могут поглотить по существу все газообразные вещества, образованные в результате взрыва: Al, Ca, Li, Mg, Та, Ti и Zr. Соединения, образованные сходным образом, приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||
| Элемент | Оксид (свободная энергия Гиббса: кДж/моль-O) | Гидроксид (свободная энергия Гиббса: кДж/моль-O) | Гидрид (свободная энергия Гиббса: кДж/моль-Н) | Нитрид (свободная энергия Гиббса: кДж/моль-N) |
| Al | Al2О3; -527 | Al(ОН)3; -435 | AlH3; | AlN; -287 |
| Са | CaO; -603 | Ca(OH)2; -449 | СаН2; -72 | Ca3N2; |
| Li | Li2O; -561 | LiOH; -439 | LiH; -68 | Li3N; -129 |
| Mg | MgO; -569 | Mg(ОН)2; -417 | MgH2; -18 | Mg3N2; -201 |
| Та | Та2O5; -382 | Ta2H; -69 | TaN; | |
| Ti | TiO; -495 | TiH2; -53 | TiN; -244 | |
| Zr | ZrO2; -522 | ZrH2; -65 | ZrN; -337 |
Энтальпия образования соединения приблизительно пропорциональна свободной энергии Гиббса, так что величина функции Гиббса (стабильность) указывает величину экзотермы (и сопутствующее этому кратковременное повышение давления). Более точно, разность между энтальпиями образования продукта(ов) и реагента(ов) показывает чистую экзотерму. Идеальный реагент 24 является реагентом, производящим минимальную экзотерму, из которой требуется небольшое количество (чтобы минимизировать влияние на характеристики взрыва), и который обладает необходимой энергией активации.
Таким образом, настоящее изобретение включает помещение реагентов 24 вблизи взрывного газа, образующегося при подрыве заряда 14, в том числе включение одного или нескольких следующих реагентов 24 внутрь неразорвавшегося взрывного заряда 14. Материалы для реагента 24 включают, без ограничений, Al, Ca, Li, Mg, Та, Ti и Zr.
Следует отметить, что количество реагента 24 может меняться в зависимости от оперативной кинетики, желательного снижения молярной плотности и желания свести к минимуму влияние на характеристики взрыва. Типичный вариант осуществления настоящего изобретения, использующий реагенты для снижения молярной плотности взрывного газа, показан на фиг. с 4А по 4С.
Фиг.4А является частичным видом поперечного разреза одного варианта осуществления перфоратора 10 настоящего изобретения, включающего реагент 24 как редуктор давления внутри перфоратора. Как показано на фиг.4А, реагент 24 расположен вблизи заряда 14 взрывчатых веществ. Реагент 24 может быть помещен внутрь камеры 18, соединен с или встроен в корпус 12 перфоратора или может быть расположен в других местах вблизи взрывного газа, образующегося в результате подрыва взрывных зарядов 14. Примеры, без ограничений, различных положений для помещения реагента 24 показаны на разных фигурах.
Фиг.4В является частичным видом поперечного разреза другого варианта осуществления перфоратора 10 настоящего изобретения, включающего реагент 24. Фиг.4В показывает реагент 24, заключенный внутри носителя 14а взрывного заряда 14.
Фиг.4С является частичным видом поперечного разреза другого варианта осуществления перфоратора 10 настоящего изобретения, включающего реагент 24. Фиг.4С показывает реагент 24, встроенный в заряд взрывчатых веществ 14.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения перфоратор 10 может включать приспособления для снижения и температуры, и молярной плотности послевзрывного газа в перфораторе. Один вариант является объединением характеристик, показанных на фиг.3 и 4. Вариант показан на фиг.4А. Следует понимать, что для снижения послевзрывного давления при операции перфорирования материал теплопоглотителя 16 и реагенты 24 могут являться частью перфоратора 10 настоящего изобретения.
Послевзрывное давление также может быть снижено механическими средствами, что до настоящего времени не осуществлялось.
Когда идеальный газ расширяется изентальпически (т.е. "разбегается", идеальным примером является расширение в вакуум), газ не совершает работы, и обладает практически той же энергией после взрыва, что и до. Если удельная теплоемкость газа постоянна, это расширение является изотермическим.
Из закона идеального газа, P=R*(n/V)*T, такое расширение снижает давление только путем снижения молярной плотности, Р2=Р1*(V1/V2). Здесь п является константой, а V изменяется, в отличие от предыдущего варианта осуществления, показанного на фиг.4А, 4В и 4С.
Однако, когда расширяющийся газ совершает работу, он высвобождает энергию в окружение, на котором он совершает работу. Закон сохранения энергии требует, чтобы расширяющийся газ охлаждался. Когда идеальный газ расширяется изентропично, его давление падает как Р2=Р1* (V1/V2)γ, где γ является показателем адиабаты (приблизительно 1,4 для воздуха и многих других газов). Таким образом, изентропическое расширение дает более значительное падение давления, чем изотермическое расширение.
Реальное "рабочее" расширение не обязательно будет изентропическим или даже адиабатическим, так как могут происходить другие необратимые процессы. Действительно, такие процессы происходят на самом деле при начальном расширении взрывного газа 26 (ударный нагрев, пластическая деформация, разрушение пор в корпусе и облицовке и т.д.). Настоящее изобретение и его вариант осуществления направлены на превращение потенциальной (тепловой) энергии газа в кинетическую энергию через работу PdV (приложенное давление, умноженное на изменение объема). Эта кинетическая энергия может позднее и/или одновременно рассеиваться через ряд механизмов, например вязкий нагрев, пластическую деформацию, разрушение пор и т.д. Альтернативно энергия может быть передана снова во взрывной газ по прошествии достаточного времени (десятки миллисекунд) после подрыва зарядов 14, для получения выигрыша от снижения давления перфоратора.
Фиг.5А является схематическим изображением перфоратора 10 настоящего изобретения, включающего редуктор давления, определяемый как секция 28 сжатия. Как показано на фиг.5А и 5В, перфоратор 10 включает корпус 12 перфоратора и камеру 18 перфоратора. Камера 18 перфоратора функционально связана с компрессионной камерой 36, ограниченной секцией 28 сжатия. Компрессионный барьер 34 герметично отделяет камеру 18 перфоратора и камеру 36 сжатия. Компрессионный барьер 34 может перемещаться в камеру 36 сжатия. Компрессионный барьер 34 может двигаться со скольжением и/или с деформированием, как диафрагма. Камера 36 сжатия включает сжимаемый материал 30, такой, как сжимаемый газ, или такой материал, как пружину, или другое устройство типа поршня. Сжимаемый материал 30 должен быть сжимаем внутри среды ствола скважины, действию которой он подвергается, и может быть сжат в пределах миллисекунд после подрыва взрывных зарядов. Сжимаемый материал 20 может включать механический инструмент, такой, как пружина, сжимаемая текучая среда, такая, как газ или жидкость, или сжимаемое твердое вещество.
Фиг.5А показывает перфоратор 10 в момент времени 1 (t1), порядка или менее микросекунды после подрыва взрывных зарядов 14 (фиг.3 и 4). Взрывной газ 26 заполнил камеру 18 перфоратора.
Фиг.5В показывает перфоратор 10 в момент времени 2 (t2), в пределах миллисекунд от подрыва заряда взрывчатых веществ. Взрывной газ 26 расширился, работая против сжимаемого материала 30 и сжимая его, тем самым расходуя бесполезную энергию взрывного газа 26, снижая молярную плотность и температуру взрывного газа 26 и, тем самым, давление.
Фиг.5С является графической иллюстрацией снижения послевзрывного давления взрывного газа в перфораторе и увеличения давления на сжимаемый материал на временном масштабе от "t1" до "t2."
Со ссылкой на чертежи с 1 по 5 описан способ снижения послевзрывного давления газа 26 в перфораторе 10, чтобы способствовать поднимающемуся потоку. Предложен перфоратор 10, имеющий взрывные заряды 14 и приспособление для снижения давления взрывного газа 26, образующегося в результате подрыва взрывных зарядов 14.
Приспособление для снижения давления может включать теплопоглотитель 16 для снижения температуры взрывного газа 26, и/или реагент 24 для снижения молярной плотности взрывного газа 26, и/или секцию 28 сжатия, чтобы заставить взрывной газ работать, тем самым снижая температуру и увеличивая объем перфоратора 10 для снижения молярной плотности.
Теплопоглотитель 16 расположен вблизи взрывных зарядов 14. Теплопоглотитель 16 может состоять из или включать, без ограничений, тонкоизмельченные твердые вещества, порошки и монолитные объемы, включая воду, медь или другие подходящие материалы.
Идеальный реагент 24 является реагентом, который производит минимальную экзотерму, из которой требуется малое количество (чтобы свести к минимуму влияние на характеристики взрыва), и который имеет необходимую энергию активации. Реагент 24 может содержать, отдельно или в комбинации, но без ограничений, Al, Са, Li, Mg, Та, Ti и Zr.
Из предшествующего детального описания частных вариантов осуществления изобретения должно стать очевидным, что описанная система для регулирования динамического восстановления давления при операции перфорирования является новой. Хотя частные варианты осуществления изобретения были раскрыты здесь с некоторыми подробностями, это было сделано только в целях описания различных свойств и аспектов изобретения, и не означает, что ими ограничиваются рамки изобретения. Например, следует отдавать себе отчет, что давление внутри перфоратора включает давление, возникшее в перфораторе, а также вблизи перфоратора, и указания на "расположенный в" или " соединенный с" перфоратором включают являющийся частью кабеля перфоратора или функционально связанный с перфоратором, так что "расположенный в перфораторе" включает "является частью корпуса перфоратора" или "образующий приставку к перфоратору". Полагается, что могут быть сделаны различные замены, изменения и/или модификации, включая, но без ограничений, такие изменения реализации, которые могли быть предложены здесь, описанных вариантов осуществления, не отходя от идеи и рамок изобретения, как они определены в приложенной формуле изобретения, следующей далее.
1. Устройство для снижения послевзрывного давления в перфораторе, содержащее перфоратор, несущий по меньшей мере один заряд взрывчатых веществ, при подрыве которого образуется взрывной газ под давлением, и приспособление для снижения давления, функционально связанное с перфоратором и предназначенное для снижения давления взрывного газа, отличающееся тем, что приспособление для снижения давления включает теплопоглотитель, пригодный для быстрого снижения температуры взрывного газа.
2. Устройство по п.1, в котором приспособление для снижения давления помещено вблизи перфоратора.
3. Устройство по п.1, в котором приспособление для снижения давления помещено внутри перфоратора.
4. Устройство по п.1, в котором приспособление для снижения давления является частью перфоратора.
5. Устройство по п.1, в котором теплопоглотитель имеет высокую теплопроводность.
6. Устройство по п.1, в котором теплопоглотитель имеет большую теплоемкость.
7. Устройство по п.1, в котором теплопоглотитель включает медь.
8. Устройство по п.1, в котором теплопоглотитель включает воду.
9. Устройство по п.1, в котором теплопоглотитель включает микроинкапсулированные водяные шарики.
10. Устройство по п.1, в котором приспособление для снижения давления включает реагент, подходящий для рекомбинирования с взрывным газом для снижения молярной плотности взрывного газа.
11. Устройство по п.10, в котором реагент выбран из группы, состоящей из Al, Ca, Li, Mg, Та, Ti, Zr и их комбинаций.
12. Устройство по п.10, в котором приспособление для снижения давления включает секцию сжатия, функционально связанную с перфоратором.
13. Устройство по п.12, в котором секция сжатия включает сжимаемый материал.
14. Устройство для снижения послевзрывного давления в перфораторе, содержащее перфоратор, несущий по меньшей мере один заряд взрывчатых веществ, при подрыве которого образуется взрывной газ под давлением, отличающееся тем, что имеет приспособление для снижения температуры, функционально связанное с перфоратором и предназначенное для снижения температуры взрывного газа, и приспособление для снижения молярной плотности, функционально связанное с перфоратором и предназначенное для снижения молярной плотности взрывного газа.
15. Устройство по п.14, в котором приспособление для снижения температуры помещено вблизи перфоратора.
16. Устройство по п.14, в котором приспособление для снижения температуры помещено в перфораторе.
17. Устройство по п.14, в котором приспособление для снижения температуры является частью перфоратора.
18. Устройство по п.14, в котором приспособление для снижения молярной плотности расположено вблизи перфоратора.
19. Устройство по п.14, в котором приспособление для снижения молярной плотности расположено в перфораторе.
20. Устройство по п.14, в котором приспособление для снижения молярной плотности является частью перфоратора.
21. Устройство по п.14, в котором приспособление для снижения температуры включает теплопоглотитель, пригодный для быстрого снижения температуры взрывного газа.
22. Устройство по п.21, в котором теплопоглотитель имеет высокую теплопроводность.
23. Устройство по п.21, в котором теплопоглотитель имеет большую теплоемкость.
24. Устройство по п.21, в котором теплопоглотитель включает медь.
25. Устройство по п.21, в котором теплопоглотитель включает воду.
26. Устройство по п.21, в котором теплопоглотитель включает микроинкапсулированные водяные шарики.
27. Устройство по п.14, в котором приспособление для снижения молярной плотности является реагентом, способным рекомбинировать с взрывным газом с образованием твердого вещества.
28. Устройство по п.21, в котором приспособление для снижения молярной плотности является реагентом, способным для рекомбинирования с взрывным газом с образованием твердых веществ.
29. Устройство по п.14, в котором приспособление для снижения температуры и приспособление для снижения молярной плотности включают секцию сжатия, функционально связанную с камерой перфоратора.
30. Устройство по п.29, в котором секция сжатия включает сжимаемый материал.
31. Устройство по п.27, в котором приспособление для снижения температуры и устройство для снижения молярной плотности включают секцию сжатия, функционально связанную с секцией перфоратора.
32. Устройство по п.28, в котором приспособление для снижения температуры и приспособление для снижения молярной плотности включают секцию сжатия, функционально связанную с камерой перфоратора.
33. Способ снижения послевзрывного давления в перфораторе, включающий использование перфоратора, имеющего заряды взрывчатых веществ, подрыв взрывных зарядов, производящих взрывной газ под давлением, и снижение давления взрывного газа вблизи перфоратора для облегчения притока текучих сред из формации, отличающийся тем, что снижение давления взрывного газа осуществляют путем снижения молярной плотности взрывного газа.
34. Способ по п.33, в котором для снижения давления взрывного газа используют теплопоглотитель, функционально связанный с перфоратором и пригодный для снижения температуры взрывного газа.
35. Способ по п.33, в котором для снижения давления взрывного газа используют секцию сжатия, функционально связанную с перфоратором для снижения давления взрывного газа.
36. Способ по п.33, в котором для снижения давления взрывного газа используют реагент, пригодный для рекомбинирования с взрывным газом с образованием твердых веществ.
37. Способ по п.34, в котором используют теплопоглотитель, включающий медь.
38. Способ по п.34, в котором используют теплопоглотитель, включающий воду.
39. Способ по п.35, в котором используют секцию сжатия, включающую сжимаемую пружину.
40. Способ по п.35, в котором используют секцию сжатия, включающую сжимаемую жидкость.
41. Способ по п.35, в котором используют секцию сжатия, включающую сжимаемое твердое вещество.
42. Способ по п.36, в котором используют реагент, выбранный из группы, состоящей из Al, Ca, Li, Mg, Та, Ti, Zr и их комбинаций.
