КУМУЛЯТИВНЫЙ ПЕРФОРАТОР ЗАЛПОВОГО ОГНЯ Российский патент 2004 года по МПК E21B43/117 

Изобретение относится к технике нефтепромысловой геофизики в части вскрытия продуктивных интервалов в нефтегазовых скважинах с использованием кумулятивных перфораторов, например к кумулятивным перфораторам залпового огня, для вскрытия продуктивных интервалов в необсаженных нефтегазовых скважинах.

Известно немало модификаций промышленно освоенных кумулятивных перфораторов, описанных в специальной литературе (Е.М. Вицени "Кумулятивные перфораторы, применяемые в нефтяных и газовых скважинах", М.: Недра, 1971 г., "Краткий справочник по прострелочно-взрывным работам" под редакцией Н.Г. Григорьяна, М.: Недра, 1991 г.). Сведения о пулевых перфораторах можно найти в обзорной статье В.Е. Цирулина, В.А. Абрамова "Применение пулевых перфораторов в скважинах", "Разведочная геофизика", вып.11, М., 1991.

Известен кумулятивный перфоратор ПРК 42С (ПРК 54С), состоящий из устройства передачи детонации, детонирующего шнура, герметизированных кумулятивных зарядов и ленты - шасси, на которой закреплены герметизированные кумулятивные заряды ("Геофизический вестник", ежемесячный информационный бюллетень Евро-азиатского геофизического общества, №5, 2002 г., обложка).

Недостатком кумулятивного перфоратора ПРК 42С (ПРК 54С) является то, что отсутствует возможность слежения за движением (спуском, подъемом) кумулятивного перфоратора каким-либо геофизическим методом в процессе спуска, ибо достаточно велика вероятность непроходимости упомянутого прибора на забой скважины.

В качестве прототипа может рассматриваться "Кумулятивный скважинный перфоратор" (№2120028, Е 21 В 43/117, от 13.05.96 г., прототип), содержащий корпус в виде ряда секций с кумулятивными зарядами, устройство передачи детонации и переходники, соединяющие секции.

Недостатком "Кумулятивного скважинного перфоратора" является то, что устройство основано на:

сложной системе схемы передачи детонации;

отсутствии канала слежения за движением кумулятивного перфоратора каким-либо геофизическим методом в функции глубины;

отсутствии защиты от помех (каверны) спуску прибора на забой;

отсутствии пространственной ориентации траектории полета кумулятивной струи в стволе скважины.

Конструкция предлагаемого нами кумулятивного перфоратора залпового огня лишена приведенных выше недостатков и отличается от прототипа высокой надежностью и, кроме того, позволяет производить косоугольную перфорацию в открытом стволе.

Предлагаемый нами кумулятивный перфоратор залпового огня включает корпус в виде ряда секций с кумулятивными зарядами, устройство передачи детонации и переходники, соединяющие секции, и дополнительно снабжен гидравлическим устройством, имеющим возможность срабатывания на глубине 500-600 м с обеспечением соосности секций, и каротажным грузом - эксцентриком, соединенным с последней секцией кумулятивного перфоратора гидравлическим устройством, а переходники выполнены в виде крестовины с парой цапф, расположенных на концах стыкуемых секций и имеющих возможность свободного скольжения в посадочных местах для обеспечения спуска перфоратора по криволинейному стволу скважины, при этом крестовина по вертикальной оси имеет сквозное отверстие - канал для пропуска детонирующего шнура цельным, а кумулятивный заряд закреплен на шасси, расположенном нормально к оси кумулятивного заряда и таким образом, чтобы кумулятивная струя имела угол до 90° с вертикальной осью перфоратора.

Причем стенка секции напротив ожидаемой кумулятивной струи имеет отверстие - окно, крестовина представляет собой однополостной гиперболоид, корпус в виде ряда негерметизированных секций, а к каротажному грузу - эксцентрику подвешен электрод, изолированный от металла кумулятивного перфоратора и электрически соединенный со свободной жилой каротажного кабеля, каротажный груз - эксцентрик представляет собой отрезок трубы, внутренняя полость которого по всей длине выполнена в виде полуцилиндра из материала высокой объемной плотности, шасси выполнено в виде двух участков ленты, жестко соединенных между собой, один участок ленты отогнут под углом до 90° относительно другого.

Кумулятивный перфоратор залпового огня поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид кумулятивного перфоратора залпового огня, на фиг.2 - соединение секций между собой; на фиг.3 - соединение секции и каротажного груза, на фиг.4 - разрез А-А фиг.3, на фиг 5 - разрез Б-Б фиг.3.

Кумулятивный перфоратор залпового огня (далее по тексту перфоратор) содержит приборную головку 1, устройство передачи детонации, например электродетонатор (не показано), негерметизированный корпус, собранный из ряда секций 2 (количество секций определяется в зависимости от мощности интервала прострела) с герметизированными кумулятивными зарядами 3, каротажный груз - эксцентрик 4, который соединен с последней секцией 5 посредством гидравлического устройства 6, цельный (сплошной) детонирующий шнур (не показано) и электрод 7, подвешенный через кабель 9.

Соединение секций 2, 5 между собой выполнено посредством переходника 8, который представляет собой крестовину 10 с парой цапф 12 и 11, свободно скользящими в посадочных местах в виде отверстий, выполненных на концах стыкуемых секций 2, торцы которых представляют собой вилки 13 и 16. При этом угол стыкуемых секций 2 имеет возможность изменяться относительно вертикали, но не превышая при этом 15 градусов. Последнее достигнуто за счет геометрии исполнения крестовины 10, которая представляет собой однополостной гиперболоид со сквозным отверстием - каналом 14. Это сквозное отверстие - канал 14 позволяет пропустить детонирующий шнур (не показано) через все секции 2, 5 цельным, сплошным.

Кумулятивные герметизированные заряды 3, расположенные внутри каждой секции 2 и 5, смонтированы на шасси. Шасси каждого единичного кумулятивного герметизированного заряда 3 выполнено в виде двух участков ленты, например, стальных, 15 и 28, жестко соединенных между собой. Участок ленты 15 согнут под углом до 90° относительно другого участка ленты 28 и в тоже время расположен под углом 90° к оси конуса кумулятивного герметизированного заряда 3 и, кроме того, он может быть сменным.

Установка единичного герметизированного кумулятивного заряда 3 может производиться так, чтобы кумулятивная струя могла бы иметь угол "атаки" до 90° от вертикальной оси перфоратора, т.е. посредством шасси (участка ленты 15) можно регулировать угол "атаки" кумулятивной струи по прострелу соответствующего интервала, который устанавливают в процессе интерпретации соответствующих геофизических материалов. По данным интерпретационной службы определяют и "шаг" прострела по вертикали, и азимутальную ориентацию образующей по стволу скважины, по которой необходимо произвести залповой прострел. Каждая из секций 2, 5 содержит определенное число герметизированных кумулятивных зарядов 3, при этом в каждой секции напротив ожидаемой кумулятивной струи выполнено отверстие - "окно" 17, представляющее собой овальный вырез. Количество отверстий - "окон" 17 для пропускания кумулятивной струи определятся по количеству герметизированных кумулятивных зарядов 3, установленных в секциях 2, 5.

Гидравлическое устройство 6 состоит из охранного кожуха 18, поршня 19 с уплотнительными кольцами 20, возвратной пружины 21, коаксиального цилиндра 22, закрепленного посредством неразъемного соединения к опоре 23, которая имеет жесткий контакт с верхней торцовой частью каротажного груза - эксцентрика 4. Основным элементом сочленения коаксиального цилиндра 22 и охранного кожуха 18 служит штифт 24, жестко соединенный с поршнем 19, но свободно проходящий через отверстие в коаксиальном цилиндре 22. В нижней части последней секции 5 выполнены два паза 25 по вертикали, по которым может передвигаться вверх - вниз штифт 24. При крайнем верхнем положении штифта 24 перфоратор "выпрямляется" на суммарную длину секции 5 и каротажного груза - эксцентрика 4.

Каротажный груз - эксцентрик 4 представляет собой отрезок трубы (по внешней геометрии мало отличающийся от секций), внутренняя полость которой по всей длине выполнена в виде полуцилиндра из материала высокой объемной плотности, преимущественно из свинца. Каротажный груз - эксцентрик 4 может быть цельным или сборным, т.е. состоит из отрезка трубы 26, внутри которой прикреплен элемент в виде полуцилиндра 27. Именно такой каротажный груз-эксцентрик 4, эксцентричный относительно вертикальной оси сцепки перфоратора, позволяет производит азимутальный разворот всего перфоратора в целом, поскольку при его движении по стенкам скважины каротажный груз - эксцентрик 4 стремится развернуться в сторону наклона ствола скважины. Каротажный груз - эксцентрик 4 может быть закреплен в любой азимутальной (необходимой) ориентации.

К каротажному грузу - эксцентрику 4 подвешен электрод 7 для измерения потенциала поляризации (ПС), гальванически изолированный от металла перфоратора и электрически соединенный со свободной жилой каротажного кабеля (не показано).

Благодаря предлагаемому техническому решению секции 2, 5 между собой (при отсутствии гидравлического давления) могут иметь угол до 15° по вертикали, что важно для свободного прохождения всей сборки упомянутого выше интервала "зарезки". Однако технологическая цель беспрепятственного спуска кумулятивного перфоратора залпового огня на забой (до интервала перфорации) достижима при условии, когда нижняя часть скважинного кумулятивного перфоратора залпового огня имитирует единую трубу длиной до 5-6 м.

Перед спуском в скважину производят сборку перфоратора.

Каротажно-перфораторная партия, получив заказ на перфорацию в открытом стволе, на скважину доставляет составные узлы кумулятивного перфоратора залпового огня в пораздельней упаковке (в части кумулятивных зарядов). По этой причине на скважине в первую очередь необходимо доукомплектовать единичные секции 2 и 5 герметизированными кумулятивными зарядами 3. Эту операцию выполняют в перфораторной станции в последовательности:

вывинчивают цапфы 12, 11 из посадочных мест, расположенных на торцах секций 2 (если, это не сделано при транспортной упаковке);

извлекают из секции 2 шасси (участки лент 28, 15) со смонтированными на нем составляющими элементами обеспечения взрыва: электродетонатором и детонационным шнуром (не показано) (при этом участки лент 28, 15 с необходимым углом "атаки" кумулятивной струи для конкретной скважины установлены еще на каротажной базе);

устанавливают герметизированные кумулятивные заряды 3 в соответствующих гнездах и задвигают шасси (участок ленты 28) на прежнюю позицию.

Полную сборку перфоратора производят на мостках буровой. Для этой цели все секции 2, 5 перфоратора укладывают в последовательности, соответствующей фиг.1. Протаскивают детонирующий шнур (не показано) и электроизолированный провод (не показано) к электроду 7. Сборка завершается после крепежа всех элементов перфоратора. Количество секций 2 определяется в соответствии интервалу перфорации скважины.

Работа описываемого перфоратора залпового огня складывается из нижеизложенного.

Спуск собранной сцепки на забой производят по стандартной технологии проведения прострелочно-взрывных работ на скважине.

При кустовом бурении ствол единичной скважины наклонный лишь в интервале "зарезки" (глубина 400-500 м). Ниже технологическая карта бурения предусматривает выпрямление ствола скважины до 4-5° зенитного угла. Если длина единичной секции 2 перфоратора доходит до 3 м, даже при условии соблюдения технологических требований по набору кривизны вероятность непроходимости упомянутого перфоратора на забой скважины достаточно велика. Перфоратор не преодолеет интервал зарезки, застряв в пределах криволинейной трассировки ствола в виде "хорды".

Спуск перфоратора на забой осуществляется без остановки по причине резкого набора кривизны, ибо перфоратор может изгибаться во всех сочленениях (ход змеи) до срабатывания гидравлического устройства 6 (по глубине 500-600 м). После срабатывания гидравлического устройства 6 секции 2, 5 до самого забоя по вертикальной оси соосны, т.е. имитируют как бы единую трубу длиной до 6 м.

После установки перфоратора в скважине на заданной глубине, в заданном интервале перфорации задействуют устройство передачи детонации, например электродитонатор (не показано), которое инициирует детонацию шнура детонационного (не показано). При распространении детонации по детонационному шнуру (не показано) инициируются герметизированные кумулятивные заряды 3 все и одновременно. Кумулятивная струя, образующаяся при подрыве каждого герметизированного кумулятивного заряда 3, пробивает канал в горной породе необходимой длины.

Поршень 19 относительно охранного кожуха 18 находится в крайнем нижнем положении. Поскольку штифт 24, сочлененный с поршнем 19, имеет свободную посадку в коаксиальном цилиндре 22 (заданный люфт) и в пазах, то в рассматриваемом сочленении перфоратор может (переламываться) на угол до 15° (при большем угле может быть поврежден детонирующий шнур). На глубине 500-600 м срабатывает гидравлическое устройство 6 и перфоратор переходит в другое состояние. При этом поршень 19 передвигается до упора вверх, увлекая за собой каротажный груз-эксцентрик 4, в этом случае секции 2, 5 по вертикали соосны, имитируя, как бы, единую трубу длиной до 6 м. После осуществления перфорации в процессе полного подъема на глубине 500-600 м происходит разблокировка гидравлического устройства 6 и нет препятствий для безаварийного извлечения перфоратора из устья скважины.

В плане внедрения новой технологии строительства нефтегазовой скважины в части флюидного шунтирования продуктивного интервала по нормали к напластованию в открытом стволе нефтегазовой скважины наибольший интерес представляет вопрос технического обеспечения. Однако ни в специальной литературе, ни в текущей информации по новым модицикациям техники промысловой геофизики (см., например, "Геофизические методы исследования скважин", справочник геофизика, М.: Недра, 1983, "Геофизический вестник", ежемесячный информационный бюллетень Евро-азиатского геофизического общества, за 2001-2002 гг.) нет сведений о перфораторах, приемлемых для эксплуатации в открытом стволе нефтегазовой скважины.

Такая ситуация, с одной стороны, объяснима, если исходить из принципа “нет проблемы - нет и необходимости в технической реализации”. Однако, с другой стороны, задача о необходимости флюидного шунтирования полимиктовых коллекторов по нормали к напластованию, выдвинутая крупнейшими авторитетами тюменских специализированных НИИ (СибНИИНП, Р.А.Абдуллин; ТФ “СургутНИПИНефть”, В.П.Сонич и др.), почти 10 лет остается неразрешимой технической задачей как для отечественных, так и зарубежных конструкторов геофизического приборостроения. Причина здесь одна - геолого-технические и технологические условия строительства нефтегазовых скважин на месторождениях Западной Сибири. Известно, что здесь доминирующее положение занимает технология кустового наклонно-направленного бурения.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к технике для вскрытия продуктивных интервалов в нефтегазовых скважинах. Обеспечивает высокую надежность перфорации. Сущность изобретения: кумулятивный перфоратор включает корпус в виде ряда секций с кумулятивными зарядами, устройство передачи детонации и переходники, соединяющие секции. Согласно изобретению перфоратор снабжен гидравлическим устройством, имеющим возможность срабатывания на глубине 500-600 м с обеспечением соосности секций, и каротажным грузом-эксцентриком, соединенным с последней секцией кумулятивного перфоратора гидравлическим устройством. Переходники выполнены в виде крестовины с парой цапф, расположенных на концах стыкуемых секций и имеющих возможность свободного скольжения в посадочных местах для обеспечения спуска перфоратора по криволинейному стволу скважины. Крестовина по вертикальной оси имеет сквозное отверстие-канал для пропуска детонирующего шнура цельным. Кумулятивный заряд закреплен на шасси, расположенном нормально к оси кумулятивного заряда и таким образом, чтобы кумулятивная струя имела угол до 90⁰ с вертикальной осью перфоратора. 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Кумулятивный перфоратор залпового огня, включающий корпус в виде ряда секций с кумулятивными зарядами, устройство передачи детонации и переходники, соединяющие секции, отличающийся тем, что перфоратор снабжен гидравлическим устройством, имеющим возможность срабатывания на глубине 500-600 м с обеспечением соосности секций, и каротажным грузом-эксцентриком, соединенным с последней секцией кумулятивного перфоратора гидравлическим устройством, а переходники выполнены в виде крестовины с парой цапф, расположенных на концах стыкуемых секций и имеющих возможность свободного скольжения в посадочных местах для обеспечения спуска перфоратора по криволинейному стволу скважины, при этом крестовина по вертикальной оси имеет сквозное отверстие-канал для пропуска детонирующего шнура цельным, а кумулятивный заряд закреплен на шасси, расположенном нормально к оси кумулятивного заряда и таким образом, чтобы кумулятивная струя имела угол до 90°^{с вертикальной осью перфоратора.}2. Кумулятивный перфоратор залпового огня по п.1, отличающийся тем, что стенка секции напротив ожидаемой кумулятивной струи имеет отверстие - окно.3. Кумулятивный перфоратор залпового огня по п.1, отличающийся тем, что крестовина представляет собой однополостной гиперболоид.4. Кумулятивный перфоратор залпового огня по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде ряда негерметизированных секций.5. Кумулятивный перфоратор залпового огня по п.1, отличающийся тем, что к каротажному грузу - эксцентрику подвешен электрод, изолированный от металла кумулятивного перфоратора и электрически соединенный со свободной жилой каротажного кабеля.6. Кумулятивный перфоратор залпового огня по п.1, отличающийся тем, что каротажный груз - эксцентрик представляет собой отрезок трубы, внутренняя полость которого по всей длине выполнена в виде полуцилиндра из материала высокой объемной плотности.7. Кумулятивный перфоратор залпового огня по п.1, отличающийся тем, что шасси выполнено в виде двух участков ленты, жестко соединенных между собой, один участок ленты отогнут под углом до 90° относительно другого.