ПЕРФОРАТОР Российский патент 1994 года по МПК E21B43/114 

Изобретение относится к нефтегазодобыче, в частности к перфорации скважин, и может быть использовано в водяных и гидрогеологических скважинах.

Известны прострельные способы перфорации скважин пулевыми, торпедными (снарядными) и кумулятивными перфораторами. При вскрытии плотных и твердых пород пуля из-за малой пробивной способности часто не проникает за цементное кольцо и застревает в обсадной трубе или цементном кольце, особенно, когда на пути пули встречается муфтовое соединение обсадной колонны. На внутренней поверхности обсадной колонны при пробивании ее пулей или снарядом образуются крупные острые заусеницы вокруг отверстия. Эти заусеницы и застрявшие в трубах пули представляют большие помехи при проведении дальнейших работ и требуют трудоемких операций по фрезерованию (райбированию) внутренней поверхности обсадной колонны.

По мере распространения кумулятивной перфорации скважин применение пулевых и торпедных перфораторов значительно сократилось, что объясняется их меньшей пробивной способностью, большей сложностью заряжания и меньшей производительностью. При простреле скважины кумулятивными перфораторами пест, летящий в хвосте струи, часто отклоняется от траектории движения струи или застревает в уже пробитом канале. Застревание песта в канале, пробитом кумулятивной струей, может в некоторых случаях привести к полной закупорке канала, особенно в тех случаях, когда пест застревает в отверстии, пробиваемом в трубе. При кумулятивной торпедной или пулевой перфорации часть энергии взрыва или выстрела расходуется на деформацию обсадной колонны и цементного кольца, что приводит к возможности соединения нефтеносного горизонта с газоносными или водоносными и т.п. [1].

Деформация обсадных колонн чаще наблюдается в скважинах без цементного кольца или если перфорация ведется на небольшой глубине (менее 50 м). Более того, перфорация мощными зарядами приводит к образованию трещин и даже разрушению обсадной колонны, возможно нарушение сцепления цемента с обсадной колонной.

Если принять среднюю вероятность нарушений в обсадной нецементированной колонне, вскрываемой мощным бескорпусным кумулятивным перфратором, за 100 ед, то для пулевого перфоратора этот показатель составит 30 ед, а для корпусного кумулятивного - 15 ед. (Григорян Н.Г. и др. Прострелочные и взрывные работы в скважинах, М.: Недра, 1973). Как установлено исследованиями, расстояние между кумулятивными зарядами нельзя делать менее 75 мм, так как в этом случае возможна резкая потеря пробивной способности (Винцени Е.М. Кумулятивные перфораторы, применяемые в нефтяных и газовых скважинах. М.: Недра, 1971). Оси соседних зарядов обычно смещены одна относительно другой на 90 или 120^одля того, чтобы снизить вероятность образования трещин в обсадной колонне и цементном кольце. При этом максимальный диаметр каналов, пробиваемых кумулятивными перфораторами, не превышает 14 мм (Григорян Н.Г. и др. Прострелочные и взрывные работы в скважинах. М.: Недра, 1972).

Известен гидропескоструйный способ перфорации скважин [2]. Это пока единственный промышленно применяемый в настоящее время способ вскрытия пластов, исключающий воздействия взрывных нагрузок на пласт. Как показали стендовые испытания на сухих и заполненных водой макетах скважин, в том числе с имитацией противодавления, а также промысловые эксперименты с использованием скважинной модели в условиях гидростатических давлений, характерных для скважин средних глубин, при перпендикулярном набегании струи жидкости на обсадную колонну при прокачке ее через насадки из твердых сплавов длина перфорационных каналов в породах средней прочности не превышает 135 мм. Учитывая значительно большую трудоемкость осуществления гидропескоструйной перфорации по сравнению с кумулятивной и пулевой, на промыслах она применяется в настоящее время редко.

Перфораторы по авт.свт. N 848603, 1173036 (лазерные), N 872731, 927980 (электроплазменные) требуют специальных энергоемких источников питания и могут быть отнесены в настоящее время по степени своей практической реализации к "экзотическим" способам перфорации.

Известно устройство плазменной резки [3], принятое за прототип, включающее полый корпус, связанный с ним источник газа, установленное в боковой стенке корпуса радиальное съемное сопло и размещенный в полости корпуса соосно радиальному объемному соплу электрод, имеющий токовод, источник газа выполнен в виде расположенного в нижней части корпуса съемного стакана с зарядами баллиститного твердого топлива.

К недостаткам данного устройства относится то, что при ограниченных расходных характеристиках заряда твердого топлива оно может обеспечить прожигание не более 2-3-х каналов, в результате чего потребуется значительное усложнение электрической части устройства плазменной резки. В устройстве для прожигания каждого последующего канала необходимо переснаряжение его новым зарядом твердого топлива, что связано со спускоподъемными работами. Кроме того, для фиксации в скважине устройства плазменной резки требуется применение специальных дополнительных устройств, а зажигание электрической дуги и разогрев от нее продуктов сгорания баллиститного твердого топлива до температуры плавления обсадной трубы, цементного камня и породы вызывает необходимость применения на поверхности земли силовых электрогенераторов.

Цель изобретения - повышение производительности труда при одновременном снижении энергоемкости производства и сокращении количества применяемого на скважине оборудования.

Поставленная цель достигается тем, что известный перфоратор, содержащий основной модуль в виде полого корпуса с днищем и направляющими боковыми соплами, заряд твердого топлива, размещенный в нижней части полого корпуса, и воспламенитель, установленный в верхней части корпуса, снабжен одним или несколькими дополнительными модулями, последовательно соединенными между собой и с основным модулем каналами с размещенными в них клапанами со штоком, причем вход в канал перекрыт зарядом, а выход - воспламенителем, при этом шток выполнен с острием и продольными проточками и установлен с возможностью взаимодействия с воспламенителем.

С целью исключения любых перемещений модуля относительно стенки скважины во время его работы он снабжен центратором, выполненными в виде трех и более подвижных силовых элементов, равномерно расположенных по окружности в плоскости, перпендикулярной оси модуля, при этом силовые элементы выполнены в виде поршня со штоком, размещенного в стенках корпуса модуля, запоршневой объем связан каналом с полостью модуля.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна". При изучении известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлен предлагаемый перфоратор, разрез; на фиг.2 и 3 - сечения А-А и Б-Б на фиг.1 соответственно; на фиг.4 - вариант выполнения корпуса модуля; на фиг.5 - варианты выполнения зарядов; на фиг.6 - работа перфоратора в скважине.

Каждый модуль 1 состоит из корпуса (фиг.1-3), днища 2, расходных сопел 3, заряда 4 твердого топлива, воспламенителя 5, центратора 6. Центратор выполнен в виде трех и более подвижных силовых элементов, равномерно распределенных по окружности в плоскости, перпендикулярной оси модуля (фиг.2), и выполненных в виде поршня со штоком, размещенного в стенках модуля с возможностью перемещения на длину l выхода штока,
l=(D_скв-d_мод)/2+ Δ_доп, где D_скв и d_мод - соответственно внутренний диаметр скважины и наружный диаметр перфоратора. При этом запоршневой объем соединяется каналом с внутренним объемом модуля.

Соблюдение этого соотношения для выхода (l) штока из модуля при предлагаемом выполнении силовых элементов позволяет выполнять одновременно две функции: функцию фиксатора и функцию центратора. Последнее особенно важно для создания равных условий работы всех сопел одного модуля, что соответствует равномерной перфорации скважин. Дополнительный вылет штока Δ_доп (сверх расстояния между корпусом модуля и стенкой скважины) зависит от фрикционных и деформативных свойств материала штока и обсадной колонны, определяется экспериментально и задается технологическими допусками при проектировании конкретной конструкции. Функциональное его назначение - обеспечение минимального смещения перфоратора от оси скважины при его фиксации.

В канале 7, соединяющем два рядом стоящих модуля 1 и 9 и вход которого перекрыт зарядом 4, а выход 8 - воспламенителем 15, установлен с возможностью взаимодействия острием штока с воспламенителем обратный клапан 10, шток которого выполнен с продольными проточками.

Наиболее вероятно применение вкладных зарядов торцового горения (фиг.5, а), обеспечивающих постоянство газоприхода, хотя для образования канала значительной длины желательно применение зарядов прогрессивного горения (фиг.5,б,в). В простейшем случае, например, для перфорации обсадной колонны без цементного кольца возможно применение вкладного небронированного заряда, например, одной или нескольких канальных шашек.

Устройство работает следующим образом.

Перфоратор опускается в скважину на заданную глубину. После подачи инициирующего электрического импульса на пиропатрон 11 происходит его срабатывание с последующим зажиганием воспламенителя 5. Под действием давления газообразных продуктов сгорания пиропатрона и воспламенителя происходит перемещение поршней центратора (фиг.1-3). Конечным результатом этого перемещения является жесткая фиксация перфоратора на оси скважины. Одновременно происходит зажигание заряда 4 твердого топлива. Продукты сгорания твердого топлива разгоняются в направляющих соплах 3, выполненных в виде конфузора, и поступают в объем между обсадной колонной и перфоратором (фиг.6), создавая газовую каверну в прилегающей к сопловому насадку области заполняющей скважину жидкости. Последующие порции продуктов сгорания, истекающие через сопло, движутся к стенке скважины через газовую каверну с минимальными теплопотерями, благодаря отсутствию контакта газовой струи с жидкостью.

Расстояние от выходного сечения сопла до внутренней поверхности обсадной колонны определяется размером R_с перфоратора от выходного сечения сопла до оси перфоратора.

R_c=(D_скв-К^.d_кр)/2, где D_скв - внутренний диаметр обсадной колонны;
d_кр=L/20 - диаметр выходного сечения сопла,
L - требуемая длина канала;
К=3-4.

Коэффициент К здесь фактически определяет нижнюю и верхнюю границу этого расстояния, при К=3 обеспечивается минимальное расстояние от среза сопла до стенки, равное l=1,5d_кр. Данное ограничение связано с исключением возможного газодинамического запирания сопла. Верхняя граница, задаваемая этим соотношением и равная l=2^.d_кр при К=4, вызвана необходимостью максимального использования дальнобойности струи и снижением отрицательного воздействия окружающей жидкости на поток газа.

Приведенная зависимость для R_с и связь между диаметром d_крвыходного сечения сопла и требуемой длиной канала L подтверждается результатами экспериментальных исследований по теплообмену между струями различной интенсивности и плоской перпендикулярно расположенной преградой. Эти результаты отражают тот факт, что максимальная интенсивность теплообмена (Nu - число Нуссельта, безразмерный коэффициент теплообмена) наблюдается при расстоянии от среза сопла до стенки, равной l=(5-10)·d_кр. При l/d_кр 20 теплоотдача от струи к стенке малоэффективна. При этом чем меньше интенсивность газового потока, тем ближе выходное сечение струи должно быть расположено к прожигаемой преграде.

В результате эрозионного и теплового взаимодействия высокотемпературной струи со стенкой скважины происходит местный разогрев обсадной трубы, а затем цементного камня и основной породы до температуры плавления, продукты их разложения вместе с отработанными газами выносятся из канала в пространство между обсадной трубой и перфоратором. По мере выгорания заряда 4 фронт горения (пунктирная линия 12, фиг.1) перемещается в направлении, указанном стрелкой, и достигает соединительного канала 7. Под действием давления продуктов сгорания обратный клапан 10 перемещается в направлении следующего модуля и прокалывает заостренным концом штока футляр 13 воспламенителя модуля 9. Продукты сгорания остатков заряда 4 по проточкам в штоке (фиг.3) поступают через проколотое в футляре 13 воспламенителя отверстие к воспламенительному составу и зажигают его, продукты сгорания которого зажигают заряд 14 модуля 9, и дальнейший процесс в этом модуле развивается аналогично описанному. При этом под действием внутреннего давления в дополнительном модуле 9 при одновременном спаде давления в модуле 1 обратный клапан перемещается в исходное положение, вновь запирая канал 7, благодаря чему расход продуктов сгорания заряда модуля 9 осуществляется только через собственную группу сопел. По окончании горения заряда 4 и спада давления в объеме модуля 1 поршни центратора под действием пружин 16 возвращаются в исходное положение, освобождая перфоратор для подъема на поверхность.

П р и м е р. Устройство реализовано в модельных однокамерном и двукамерном перфораторах с внутренним диаметром 76 и длиной 150-300 мм. Использовались заряды алюминизированного твердого топлива торцового горения ⊘ 36 и 68 мм различной длины (весом от 50 до 1500 г). Температура продуктов сгорания в камере 3648К, диаметр выходного сечения сопла - 3 мм. При установке в камеру перфоратора различных зарядов соответственно устанавливалось 1, 2, 3 сопловых насадка с тем же выходным диаметром. Расстояние между выходным сечением сопла и обсадной трубой изменялось от 4 до 8 мм. Проведенные испытания перфоратора показали, что прожигание обсадной трубы с толщиной стенки 8-10 мм обеспечивается в этих условиях за 0,2-0,3 с, а образованные таким перфоратором каналы имеют средний диаметр входа 20-25 мм, длину 40-70 мм. Разрушений или деформаций обсадной трубы и цементного камня не происходит. Размеры прожигаемых каналов зависят от диаметра выходного сечения соплового насадка, секундного расхода, температуры и времени воздействия продуктов сгорания на преграду.

Таким образом, повышение производительности труда при одновременном снижении энергоемкости производства и сокращении количества применяемого на скважине оборудования достигается благодаря заявляемым отличительным признакам предлагаемого перфоратора. Экономический эффект от внедрения заявляемого изобретения образовывается за счет сокращения заработной платы, благодаря снижению удельного веса перфорационных работ в общем объеме работ на скважине за счет снижения затрат за использованную технику (из-за отказа от дополнительного наземного оборудования), за счет снижения затрат за услуги, к которым относятся расходы по ремонту наземного оборудования, расходы по электроснабжению.

Использование: в нефтегазодобыче, в частности при перфорации скважин, в водяных гидрогеологических скважинах для повышения производительности труда при одновременном снижении энергоемкости производства и сокращении количества применяемого на скважине оборудования за счет повышения эффективности воздействия высокоскоростной струи на материалы стенки скважины. Сущность изобретения: перфоратор содержит основной модуль в виде полого корпуса с днищем и направляющими боковыми соплами, заряд твердого топлива, размещенный в нижней части корпуса. С целью повышения производительности труда при одновременном снижении энергоемкости производства и сокращении количества применяемого на скважине оборудования он снабжен одним или несколькими дополнительными модулями, последовательно соединенными между собой и с основным модулем каналами с размещенными в них клапанами со штоком, причем вход в канал перекрыт зарядом, а выход - воспламенителем, при этом шток выполнен с острием и продольными проточками и установлен с возможностью взаимодействия с воспламенителем. Кроме того, перфоратор снабжен центратором, выполненным в виде трех и более подвижных силовых элементов, равномерно расположенных по окружности в плоскости, перпендикулярной оси модуля. При этом силовые элементы выполнены в виде поршня со штоком, размещенного в стенках корпуса модуля, запоршневой объем связан каналом с полостью модуля. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. ПЕРФОРАТОР, содержащий основной модуль в виде полого корпуса с днищем и направляющими боковыми соплами, заряд твердого топлива, размещенный в нижней части полого корпуса, и воспламенитель в верхней части корпуса, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности труда при одновременном снижении энергоемкости производства и сокращении количества применяемого на скважине оборудования, он снабжен одним или несколькими дополнительными модулями, последовательно соединенными между собой и основным модулем каналами с размещенными в них клапанами со штоком, причем вход в каждый канал перекрыт зарядом, а выход - воспламенителем, при этом шток выполнен с острием и с продольными проточками и установлен с возможностью взаимодействия с воспламенителем. 2. Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что, с целью исключения любых перемещений модуля относительно стенки скважины во время его работы, он снабжен центратором, выполненным в виде трех и более подвижных силовых элементов, равномерно расположенных по окружности в плоскости, перпендикулярной к оси модуля, при этом силовые элементы выполнены в виде поршня со штоком, размещенных в стенках корпуса модуля, при этом запоршневой объем связан каналом с полостью модуля.