УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВСКРЫТИЯ И ОБРАБОТКИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ СКВАЖИНЫ Российский патент 1998 года по МПК E21B43/117 E21B43/25 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и касается устройств для комплексной перфорации и обработки призабойной зоны скважин.

Известно скважинное устройство, так называемый аппарат для разрыва пласта типа АСГ, который представляет комплекс, состоящий из корпусного кумулятивного перфоратора и камеры сгорания с пороховым зарядом [1]. Аппарат предназначен для создания в призабойной зоне пласта сети несмыкающихся трещин, что приводит к увеличению коллекторских свойств пласта и повышению производительности скважины. Вначале срабатывает присоединенный к нижней части аппарата корпусной кумулятивный перфоратор, с помощью которого простреливаются каналы в стенках скважины. Затем образующиеся в камере сгорания от порохового заряда газы создают в скважине высокое давление, обеспечивающее задавливание в пласт определенной порции газожидкостной смеси через каналы перфорации с целью расширения или образования дополнительных трещин в призабойной зоне пласта. Благодаря совмещению в одном устройстве кумулятивного перфоратора и камеры сгорания с пороховым зарядом увеличивается число каналов и трещин, что повышает эффективность всей операции обработки призабойной зоны.

К недостаткам скважинного аппарата следует отнести то, что он не устраняет в каналах и трещинах призабойной зоны загрязнений твердыми остатками, т. к. последние при работе порохового заряда усиливают блокирование пор пласта из-за создания высокого давления и задавливания жидкости из скважины в пласт. Совмещение взрывного устройства - кумулятивного перфоратора с работой порохового заряда представляет, кроме того, существенную опасность при эксплуатации, т.к. после срабатывания кумулятивных зарядов перфоратора происходит удар и подскок всего скважинного аппарата, способствующие преждевременному разрушению порохового заряда в аппарате, а также кабель-троса, на котором аппарат спускается в забой.

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство для вскрытия и обработки призабойной зоны скважин, включающее корпусной кумулятивный перфоратор с головкой, корпусом с загерметизированными боковыми отверстиями, кумулятивными зарядами, наконечником перфоратора и дополнительным герметичным корпусом - воздушной камерой с атмосферным давлением между корпусом и головкой перфоратора [2].

Снаряженное в герметичном исполнении устройство спускается на кабель-тросе в интервал обработки скважины. Срабатывание кумулятивных зарядов перфоратора приводит, кроме образования каналов в пласте, к раскрытию предварительно загерметизированных боковых отверстий в корпусе перфоратора. Через них скважинная жидкость мгновенно устремляется в дополнительный корпус - воздушную камеру с атмосферным давлением. В забое на первой стадии обработки создается резкое снижение давления, т.е. имплозия, приводящая к тому, что пластовая жидкость вместе с загрязнениями в порах и каналах пласта с высокой скоростью устремляется в воздушную камеру, способствуя очистке призабойной зоны от загрязнений и повышению коллекторских свойств пласта.

На второй стадии обработки столб скважинной жидкости, падая после резкого снижения давления в забое, создает на пласт гидравлический удар с давлением, значительно превышающим горное, что приводит к развитию имеющихся и образованию новых трещин.

В устройстве корпусной перфоратор, кроме основной функции - вскрытия пласта, одновременно играет роль заглушки-диафрагмы имплозионной камеры, раскрывающейся при срабатывании кумулятивных зарядов. В одном устройстве, таким образом, выполняются две операции - операция вскрытия путем образования в пласте каналов от кумулятивного перфоратора, за которой сразу следует операция призабойной зоны за счет имплозионного эффекта, способствующего очистке каналов и пор пласта от загрязнений (на первой стадии), а также развитию имеющихся и образованию новых трещин (на второй стадии). Совмещение двух операций в одном устройстве позволяет сократить сроки освоения скважины, повысить производительность работ. Наличие в устройстве дополнительного корпуса, кроме того, дает возможность в несколько раз снизить давление взрыва комплекта кумулятивных зарядов в корпусе перфоратора, повысить срок эксплуатации этого корпуса и снизить воздействие взрыва на конструкцию скважины.

К недостаткам устройства-прототипа для вскрытия и обработки призабойной зоны скважин - следует, во-первых, отнести то, что после раскрытия отверстий перфоратора в результате взрыва кумулятивных зарядов скважинная жидкость мгновенно с высокой скоростью (до 100 м/с) устремляется в имплозионную камеру и происходит удар потока жидкости о верхний торец камеры, что приводит к подскоку вверх всего устройства. Это может привести к отрыву устройства от кабель-троса или к заклиниванию кабеля с заходом его в колонну скважины, что значительно снижает безопасность эксплуатации устройства. Второй недостаток устройства состоит в том, что эффективность развития имеющихся и образования новых трещин в призабойной зоне, определяемая величиной создаваемого на второй стадии обработки максимального давления гидравлического удара, ограничивается при прочих условиях длиной имплозионной камеры. Величина максимально возможного давления гидравлического удара в устройстве достигается уже при длине имплозионной камеры, не превышающей 3 м [3].

При большей длине камеры величина максимального давления уменьшается, т. к. потери давления от гидравлического сопротивления при движении жидкости начинают значительно превышать возникающие при этом инерционные давления. C другой стороны, при большей длине камеры увеличивается время действия пониженного давления (имплозии), создаваемого на первой стадии обработки, что обеспечивает более полную очистку призабойной зоны от загрязнений и повышение фильтрационных свойств коллектора. Второй недостаток устройства, таким образом, приводит к снижению общей эффективности его действия и состоит в том, что при увеличении длины камеры достигается более высокий эффект очистки призабойной зоны от загрязнений на первой стадии обработки и, наоборот, снижается эффект развития имеющихся и образование новых трещин в призабойной зоне на второй стадии обработки, где требуется ограничение (до 3 м) длины имплозионной камеры.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение безопасности эксплуатации устройства и общей эффективности его действия.

Это достигается тем, что в устройстве для вскрытия и обработки призабойной зоны скважины, включающем корпусной кумулятивный перфоратор с головкой, корпусом с загерметизированными боковыми отверстиями, кумулятивными зарядами, наконечником перфоратора и дополнительный герметичный корпус - воздушную камеру с атмосферным давлением между корпусом и головкой перфоратора, между корпусом и наконечником перфоратора размещен второй дополнительный герметичный корпус - воздушная камера с атмосферным давлением.

Устройство поясняется чертежом (фиг. 1) и включает корпусной кумулятивный перфоратор, например типа ПК-103Д или ПК-105Д, который с помощью кабельного наконечника 1 присоединяется к головке 2 перфоратора. К головке присоединяется дополнительный корпус - воздушная камера 3. К дополнительному корпусу присоединяется корпус перфоратора 4, он снаряжается кумулятивными зарядами 5, которые с помощью детонирующего шнура 6 образуют взрывную цепь. Кумулятивные заряды располагаются напротив соответствующих сквозных отверстий 7, предварительно загерметизированных опорным диском с уплотнителем 8. Взрывная цепь приводится в действие от взрывного патрона 9. Снизу к корпусу перфоратора подсоединяется второй дополнительный корпус - воздушная камера 10, герметизируемый наконечником перфоратора 11.

Устройство работает следующим образом. Снаряженное в герметичном исполнении, с внутренней воздушной средой под атмосферным давлением, устройство спускается на кабель-тросе в забой скважины таким образом, что перфоратор устройства устанавливается напротив интервала обрабатываемого пласта. Затем с устья скважины подается электрический импульс к взрывному патрону, приводящему к срабатыванию кумулятивных зарядов перфоратора и образованию каналов в пласте. Срабатывание кумулятивных зарядов приводит к раскрытию предварительно загерметизированных сквозных отверстий в корпусе перфоратора, в результате чего жидкость, которой заполнена скважина, мгновенно устремляется с высокой скоростью (до 100 м/с) вовнутрь обеих дополнительных корпусов - воздушных камер. За счет этого в интервале обработки создается резкое снижение давления, т. е. имплозия (депрессия), приводящая к тому, что пластовая жидкость вместе с загрязнениями, имеющимися и дополнительно возникающими при взрыве кумулятивных зарядов перфоратора в порах и каналах, с высокой скоростью устремляется в верхний и нижний дополнительные корпуса - воздушные камеры. Это способствует на первой стадии обработки очистке призабойной зоны пласта от загрязнений и повышению ее коллекторских свойств. На второй стадии обработки столб скважинной жидкости в верхнем дополнительном корпусе, падая и встречаясь с обратным потоком жидкости из забоя и нижнего дополнительного корпуса, создают гидравлический удар в интервале обработки, превышающий горное давление. Тем самым обеспечивается развитие имеющихся и образование новых трещин, что приводит в конечном итоге к повышению эффективности обработки скважины.

В предложенном устройстве положительный эффект и преимущества перед устройством - прототипом достигаются благодаря тому, что при размещении второго дополнительного корпуса - воздушной камеры в нижней части этого устройства устраняется подскок его при срабатывании, обеспечивая безопасную эксплуатацию устройства, т. к. описанный выше удар потока жидкости вверх о торец первой имплозионной камеры практически одновременно уравновешивается (локализуется) ударом потока жидкости о торец второй имплозионной камеры.

Размещение устройства второго дополнительного корпуса - воздушной камеры с атмосферным давлением, кроме того, более значительно снижает и локализует давление взрыва кумулятивных зарядов в корпусе перфоратора за счет дополнительного объема этой камеры, что обеспечивает более длительный срок безопасной эксплуатации корпуса перфоратора и снижает опасное воздействие взрыва на колонну и другие элементы конструкции скважины.

Другим преимуществом и положительным эффектом предлагаемого устройства является более высокая эффективность имплозионной обработки призабойной зоны. состоящей в том, что размещение второй дополнительной воздушной камеры существенно, пропорционально дополнительному объему этой камеры, увеличивает имплозионный эффект, т. е. величину снижения (перепада) давления. Это способствует на первой стадии обработки более полной очистке призабойной зоны от загрязнений и повышению тем самым коллекторских свойств пласта. Кроме того, на второй стадии обработки значительно повышается (близкое к удвоенному) величина максимального гидравлического удара, способствуя более глубокому развитию имеющихся и образованию новых трещин призабойной зоне пласта. Величина максимального давления гидравлического удара повышается, во-первых, благодаря созданному предварительно на первой стадии обработки более высокому перепаду давления (имплозии), что вовлекает больший объем потока жидкости в создание гидравлического удара, а во-вторых, благодаря соударению двух потоков жидкости в области интервала обработки как со стороны верхней, так и со стороны нижней (второй) дополнительных камер. Общее повышение эффективности обработки предлагаемых устройством реализуется путем использования обеих дополнительных корпусов - воздушных камер с длиной, соответствующей условию создания максимального давления гидравлического удара (до 3 м), обеспечивающего эффективность второй стадии обработки, а эффективность первой стадии обработки достигается за счет повышения величины имплозии путем использования дополнительного объема второй камеры.

Преимущество и новизна предлагаемого устройства по сравнению с устройством-прототипом состоят также в повышении эффективности обработки призабойной зоны скважины за счет увеличения общего объема и суммарной длины имплозионной камеры. Это позволяет достичь как большей депрессии (имплозии), так разделения и распределения общего объема камер на две части по длине, соответствующей оптимальной длине, при которой реализуется максимально возможное давление гидравлического удара.

Работоспособность и полезность предлагаемого устройства подтверждаются результатами стендовых испытаний его на установке, имитирующей скважинные условия (фиг. 2). Установка представляет удлиненный цилиндрический сосуд-скважину 5 высокого давления (до 80 МПа), заполненный до определенного уровня водой и герметизированный съемной крышкой 1. Начальное давление в сосуде создается путем подачи через штуцер 4 на крышке сжатого газа (до 12 МПа) из стандартного баллона в пространство между уровнем воды, составляющем 30-100 мм, и крышкой сосуда. Регулированием высоты газового пространства обеспечивается достижение заданной величины максимального давления в сосуде при испытании опытного образца устройства. На крышке сосуда имеется предохранительный клапан 3 для сброса давления, превышающего допустимое, а также размещен электровод 2 к электрической цепи устройства. В корпусе сосуда размещен датчик 13 для измерения давления.

Опытный образец устройство выполнен с уменьшенными (1:3) по сравнению с натуральными размерами и включает корпус перфоратора 10, снаряженного взрывной цепью из трех зарядов 11, дополнительного корпуса - воздушной камеры 9, размещенной между корпусом перфоратора и его головкой 8. Снизу устройство имеет второй дополнительный корпус - воздушную камеру 14, расположенный между корпусом перфоратора и его наконечником 15. В опытном образце устройства заряды имеют массу по 7 г каждый, по форме и свойствам ВВ (флегматизированный гексоген) аналогичные штатному заряду перфоратора, но не имеющий кумулятивную выемку с целью предохранения корпуса установки от воздействия кумулятивной струи.

Опытный образец устройства закрепляется к крышке сосуда с помощью телескопического стержня 6, обеспечивающего возможность осевого перемещения устройства. Внутри телескопического стержня располагается крешерный приборчик 7 для регистрации усилия, создаваемого при подскоке устройства в процессе испытаний. Для сравнения параллельно проводились испытания опытного устройства-прототипа, имеющего аналогичные характеристики, что и опытный образец предлагаемого устройства, но без второго дополнительного корпуса - воздушной камеры между корпусом перфоратора и его наконечником.

Опытный образец устройства в герметичном исполнении помещался в сосуд, который закрывался крышкой. В сосуде создавалось предварительное давление 10 МПа, затем производилось срабатывание перфоратора. В результате этого боковые отверстия предварительно закрытые опорными дисками с уплотнителем 12, раскрывались и создавался имплозионный эффект. С помощью датчика давления регистрировалась величина создаваемой в области перфоратора устройства депрессии (перепада давления) и значение последующего повышения давления в результате гидравлического удара. Определялась, кроме того, по крешерному приборчику величина усилия, создаваемого в результате подскока устройства при его срабатывании.

Результаты стендовых испытаний, приведенные в таблице, подтверждают работоспособность предлагаемого устройства в условиях, имитирующих скважинные, а по показателям имплозионного эффекта устройство, снабженные вторым дополнительным корпусом - воздушной камерой, превышает показатели устройства-прототипа. При этом существенно снижается величина усилия, создаваемого в результате подскока устройства при его срабатывании.

Устройство для вскрытия и обработки призабойной зоны скважины включает корпусной кумулятивный перфоратор с головкой. Корпус имеет загерметизированные боковые отверстия. Устройство имеет также кумулятивные заряды, наконечник перфоратора и дополнительный герметичный корпус в виде воздушной камеры с атмосферным давлением, размещенный между корпусом и головкой перфоратора. Между корпусом и наконечником перфоратора размещен второй дополнительный, герметичный корпус - воздушная камера с атмосферным давлением. 1 табл. 2 ил.

Устройство для вскрытия и обработки призабойной зоны скважины, включающее корпусной кумулятивный перфоратор с головкой, корпусом с загерметизированными боковыми отверстиями, кумулятивными зарядами, наконечником перфоратора и дополнительным герметичным корпусом - воздушной камерой с атмосферным давлением между корпусом и головкой перфоратора, отличающееся тем, что между корпусом и наконечником перфоратора размещен второй дополнительный герметичный корпус - воздушная камера с атмосферным давлением.