УСТРОЙСТВО ДЛЯ КУМУЛЯТИВНОЙ ПЕРФОРАЦИИ СКВАЖИН Российский патент 2003 года по МПК E21B43/117 

Изобретение относится к эксплуатации нефтяных скважин, а именно к устройствам для вскрытия пластов и обработки скважин с целью повышения их производительности.

Известно устройство для перфорации скважин [1]. Оно представляет собой кумулятивный перфоратор. Содержит корпус в виде толстостенной трубы с отверстиями. Против отверстий внутрь корпуса устанавливают кумулятивные заряды, закупоривая отверстия алюминиевыми шайбами с резиновыми прокладками. Заряды посредством детонирующего шнура соединены с детонатором. При подаче импульса электрического тока по каротажному кабелю детонатор взрывается. От детонатора взрывается детонирующий шнур, от которого в свою очередь взрываются кумулятивные заряды. При взрыве кумулятивного заряда формируется струя из продуктов взрыва, которая пробивает эксплуатационную колонну и пласт на глубину нескольких десятков сантиметров.

Недостатком устройства является тот факт, что при пробивании перфорационных каналов в пласте стенки их уплотняются за счет воздействия струи газов взрыва, закупорки пор пласта расплавленными и твердыми частицами продуктов взрыва, а также оплавления поверхности канала. При этом на поверхности канала формируется слабо проницаемая корочка, которая препятствует истечению флюида из пласта и снижает дебит скважины.

Известно устройство для вскрытия и обработки скважин [2], которое одновременно с перфорацией разрушает уплотненную корочку на поверхности перфорационных каналов. Оно содержит кумулятивный перфоратор и соединенную с ним имплозионную камеру. В качестве имплозионной камеры используют заполненную воздухом при атмосферном давлении пустотелую трубу или колонну труб. При этом имплозионная камера может быть подсоединена к верхнему или к нижнему концу спускаемого в скважину перфоратора, или могут быть подсоединены одновременно две имплозионные камеры, одна из которых соответственно подсоединена к верхнему, а другая - к нижнему концу перфоратора. Устройство спускают в скважину на каротажном кабеле до установки против продуктивного пласта. Подают импульс тока по кабелю, что приводит к взрыву детонатора и кумулятивных зарядов. Кумулятивной струей пробивается обсадная колонна и продуктивный пласт на глубину до нескольких десятков сантиметров. При этом жидкость из скважины притекает через отверстия перфоратора внутрь него и заполняет объем имплозионной камеры. Скорость течения жидкости в камере весьма высока и может достигать десятков метров в секунду. В тот момент, когда жидкость заполнит весь объем камеры, происходит остановка течения жидкости, которая сопровождается гидроударом. Давление в импульсе гидроудара зависит от того, насколько велика скорость потока жидкости и как быстро он может быть остановлен и может значительно превышать величину гидростатического давления в скважине. Под действием гидроудара происходит растрескивание уплотненной поверхности перфорационных каналов. Через возникшие трещины усиливается приток флюида из пласта и повышается дебит скважины. Однако при заполнении объема камеры скважинной жидкостью ее давление резко снижается, выравниваясь с давлением в имплозионной камере. При этом из скважинной жидкости происходит выделение газа, содержащегося в ней под действием гидростатического давления в растворенном состоянии или в виде жидкости. В результате жидкость в имплозионной камере становится сжимаемой и амортизирует удар потока о дно камеры. Происходит плавное снижение скорости потока жидкости до ее полной остановки, в связи с чем происходит недостаточно интенсивный гидравлический удар и недостаточно растрескивается поверхность перфорационных каналов. При этом не обеспечивается необходимое усиление притока флюида из пласта и увеличение дебита скважины.

Задачей изобретения является создание более эффективного устройства, обеспечивающего большую величину гидравлического удара, под воздействием которого усиливается растрескивание поверхности перфорационных каналов и в результате повышается дебит скважины.

Поставленная задача решается тем, что устройство содержит кумулятивный перфоратор и соединенную с ним имплозионную камеру, причем имплозионная камера выполнена в виде цилиндра с поршнем, зафиксированным в исходном положении с помощью срезаемых штифтов и имеющим возможность перемещения вдоль оси имплозионной камеры от исходного положения до остановочного упора с мгновенной остановкой на нем потока жидкости, при этом соотношение объема верхней части имплозионной камеры под остановочным упором к объему нижней части имплозионной камеры под остановочным упором составляет от 1,0 до 100,0, а срезаемые штифты имеют возможность их разрушения от давления, близкого к гидростатическому, и такую прочность, что давления взрыва зарядов кумулятивного перфоратора недостаточно для их разрушения.

Сопоставительный анализ выявил следующие существенные отличия предложенного устройства от прототипа:
- имплозионная камера выполнена в виде цилиндра с поршнем, имеющим зафиксированном в исходном положении с помощью срезаемых штифтов и имеющим возможность перемещения вдоль оси камеры от исходного положения до остановочного упора с мгновенной остановкой на нем потока жидкости;
- соотношение объема верхней части имплозионной камеры над остановочным упором к объему нижней части имплозионной камеры под остановочным упором составляет от 1,0 до 100,0;
- срезаемые штифты имеют возможность их разрушения от давления, близкого к гидростатическому, и такую прочность, что давления взрыва зарядов кумулятивного перфоратора не достаточно для их разрушения.

В связи с тем, что имплозионная камера выполнена в виде цилиндра с поршнем, зафиксированным в исходном положении с помощью срезаемых штифтов и имеющим возможность перемещения вдоль оси имплозионной камеры от исходного положения до остановочного упора с мгновенной остановкой на нем потока жидкости, обеспечивается заполнение имплозионной камеры скважинной жидкостью только после срезания штифтов и с одновременным перемещением поршня. При этом жидкость давит на поршень, заставляя его двигаться, и таким образом сама находится под давлением, близким к гидростатическому давлению в скважине, что исключает возможность разгазирования жидкости. В момент времени, когда поршень достигает остановочного упора, происходит мгновенная остановка потока жидкости, сопровождающаяся интенсивным гидравлическим ударом, посредством которого на поверхности перфорационных каналов создаются трещины, способствующие усилению притока флюида из пласта и повышению дебита скважины. Благодаря тому, что соотношение объема верхней части имплозионной камеры над остановочным упором к объему нижней части имплозионной камеры под остановочным упором составляет от 1,0 до 100,0, достигается оптимальная скорость потока жидкости в имплозионной камере, мгновенность его остановки и, соответственно, интенсивность импульса гидравлического удара. В связи с тем, что разрушаемые штифты имеют возможность их разрушения от давления, близкого к гидростатическому, и такую прочность, что давление взрыва зарядов кумулятивного перфоратора недостаточно для их разрушения, обеспечивается начало движения поршня и заполнения имплозионной камеры только после того, когда корпус перфоратора заполнится жидкостью, а газы взрыва вытекут в ствол скважины или растворятся в жидкости. В результате усиливаются генерируемые импульсы депрессии и гидравлического удара, под воздействием которых повышается дебит скважины.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что предложенное устройство отвечает критерию изобретения "новизна".

Авторам не известны технические решения, содержащие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого изобретения, соответствующего критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое устройство показано на фиг.1 и 2 соответственно в исходном и конечном положении поршня. Устройство содержит кумулятивный перфоратор 1, соединенный с имплозионной камерой 2, выполненной в виде цилиндра с поршнем 3, имеющим возможность перемещаться вдоль оси имплозионной камеры 2. Перемещение поршня 3 может происходить только в пределах верхней части имплозионной камеры 2, от исходного положения (фиг.1), в котором он фиксируется с помощью срезаемых штифтов 4, до положения остановки (фиг.2), в котором он останавливается с помощью остановочного упора 5. Срезаемые штифты 4 имеют такую прочность, что давление газов взрыва недостаточно для их разрушения. Они могут разрушиться только при давлении, близком к гидростатическому. В связи с этим их разрушение и соответственно начало движения поршня 3 происходит только после того, когда корпус перфоратора 1 заполнится жидкостью, а газы взрыва вытекут в ствол скважины или растворятся в жидкости. Пространство под поршнем 3 в его исходном положении заполнено атмосферным воздухом. При движении поршня воздух сжимается и создает сопротивление перемещению поршня. Кроме этого, сопротивление перемещению поршня 3 обусловлено его инерционностью и трением о стенки имплозионной камеры. Для обеспечения требуемой скорости жидкости, а соответственно, и интенсивности происходящего гидравлического удара необходимо обеспечить соответствующую длину хода поршня 3 от исходного положения до остановочного упора 5, которая может составлять от десятков сантиметров до нескольких метров, и соответствующее соотношение объема верхней части имплозионной камеры 2 (над остановочным упором), к объему нижней части (под остановочным упором), которая может составлять от 1,0 до 100,0. Так, при длине хода поршня, равной 2 м, и соотношении объема верхней части камеры к объему нижней части камеры, равном 5,0, давление в импульсе происходящего гидроудара превышает гидростатическое давление в 3-5 раз и при глубине скважины 2000 м может достигать 60-100 МПа.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. Заряженное устройство с установленным в исходном положении поршнем 3 и зафиксированным срезаемыми штифтами 4 (фиг.1) спускают на кабеле в скважину до глубины продуктивного пласта. Подают импульс тока по кабелю, от которого взрываются детонатор и кумулятивные заряды. При взрыве зарядов формируется кумулятивная струя, которая пробивает алюминиевые шайбы в отверстиях перфоратора 1, обсадную колонну и пласт. В связи с тем, что поршень 3 в исходном положении находится на достаточном удалении от взрывающихся зарядов и взрывная волна не достигает поршня 3, а срезаемые штифты 4 имеют такую прочность, что давления газов взрыва недостаточно для их разрушения, поршень 3 после взрыва зарядов некоторое время остается в исходном положении, пока газы взрыва вытекают в ствол скважины и корпус перфоратора 1 заполняется жидкостью. По мере заполнения корпуса перфоратора 1 жидкостью давление на поршень 3 возрастает до гидростатического, под воздействием которого штифты 4 срезаются и поршень 3 начинает перемещаться вдоль оси имплозионной камеры 2. Давление жидкости передается на поршень 3, который двигается с некоторым ускорением. При этом скорость движения поршня 3, а соответственно, и потока жидкости возрастает, но жидкость в имплозионной камере остается под давлением, близким к гидростатическому, не разгазируется и не становится сжимаемой. В момент достижения поршнем 3 остановочного упора 5 происходит удар поверхности поршня 3 о поверхность упора 5, сопровождающийся мгновенной остановкой потока жидкости и последующим за ним гидравлическим ударом. Под действием гидравлического удара происходит растрескивание уплотненной поверхности перфорационных каналов (углубляются старые и образуются новые трещины). Через трещины усиливается приток флюида из пласта и повышается дебит скважины. Внедрение предлагаемого устройства позволит повысить эффективность кумулятивной перфорации, т.к. повышает дебит скважин и не требует дорогостоящих технологий для изготовления устройства и проведения работ.

Источники информации
1. Л. Я. Фридляндер. Прострелочно-взрывная аппаратура и ее применение в скважинах. М.: Недра, 1985, с. 16-28.

2. Устройство для вскрытия и обработки призабойной зоны скважины - патент РФ 2114984, МПК Е 21 В 43/117, опубл. БИ 19, 1998.

Изобретение относится к эксплуатации нефтяных скважин, а именно к устройствам для вскрытия и обработки скважин с целью повышения их производительности. Обеспечивает генерирование гидравлического удара большей интенсивности. Сущность изобретения: устройство содержит кумулятивный перфоратор и соединенную с ним имплозионную камеру. Она выполнена в виде цилиндра с поршнем. Поршень зафиксирован в исходном положении с помощью срезаемых штифтов. Он имеет возможность перемещения вдоль оси имплозионной камеры от исходного положения до остановочного упора с мгновенной остановкой на нем потока жидкости. Соотношение объема верхней части имплозионной камеры над остановочным упором к объему нижней части имплозионной камеры под остановочным упором составляет от 1,0 до 100,0. Срезаемые штифты имеют возможность их разрушения от давления, близкого к гидростатическому, и такую прочность, что давления взрыва зарядов кумулятивного перфоратора не достаточно для их разрушения. 2 ил.

Устройство для кумулятивной перфорации скважин, содержащее кумулятивный перфоратор и соединенную с ним имплозионную камеру, отличающееся тем, что имплозионная камера выполнена в виде цилиндра с поршнем, зафиксированным в исходном положении с помощью срезаемых штифтов и имеющим возможность перемещения вдоль оси имплозионной камеры от исходного положения до остановочного упора с мгновенной остановкой на нем потока жидкости, при этом соотношение объема верхней части имплозионной камеры над остановочным упором к объему нижней части имплозионной камеры под остановочным упором составляет от 1,0 до 100,0, а срезаемые штифты имеют возможность их разрушения от давления, близкого к гидростатическому и такую прочность, что давления взрыва зарядов кумулятивного перфоратора не достаточно для их разрушения.