КУМУЛЯТИВНЫЙ ЗАРЯД Российский патент 2015 года по МПК E21B43/117 

Настоящее изобретение в целом относится к кумулятивным зарядам, и, в частности, к кумулятивному заряду, имеющему облицовку, активизирующую экзотермическую реакцию внутри перфорационного канала для удаления обломочного материала из этого канала.

Для осуществления добычи скважинной текучей среды (нефти или газа) из продуктивного пласта, содержащего углеводороды, такой пласт в типичном случае подвергают перфорированию, выполняемому из скважины, для облегчения прохождения текучей среды между резервуаром и скважиной. Типичная операция перфорирования включает опускание скважинного перфоратора внутрь скважины (например, по эксплуатационной трубе) до того участка продуктивного пласта, который подлежит перфорированию. В типичном случае скважинный перфоратор содержит кумулятивные заряды, расположенные радиально и направленные наружу к участку горной породы пласта, которую следует перфорировать. В таком варианте кумулятивные заряды взрываются, создавая соответствующие кумулятивные перфорационные струи, которые пробивают обсадную колонну скважины (если скважина обсажена) и образуют соответствующие перфорационные каналы в окружающей горной породе пласта.

После выполнения перфорирования в перфорационных каналах обычно содержится обломочный материал, состоящий из обломков горной породы, а также порошка, оставленного проходящими кумулятивными струями. Этот обломочный материал загромождает перфорационные каналы и может ухудшить проницаемость пласта или даже ликвидировать ее.

В одном варианте воплощения настоящего изобретения перфорирующий аппарат, предназначенный для применения в скважине, содержит кумулятивный заряд. Этот кумулятивный заряд включает оболочку, взрывчатое вещество и облицовку. Функция облицовки состоит в том, чтобы образовывать кумулятивную струю, которая создает перфорационный канал, и осуществлять экзотермическую реакцию внутри канала для создания волны давления, выталкивающей обломочный материал из канала.

В другом варианте воплощения настоящего изобретения перфорирующий аппарат, предназначенный для применения в скважине, содержит кумулятивный заряд. Этот кумулятивный заряд включает оболочку, взрывчатое вещество и облицовку, которая содержит термит.

Еще в одном варианте воплощения настоящего изобретения технология, применимая для скважины, включает создание перфорирующей кумулятивной струи, предназначенной для пробивания перфорационного канала, и при этом в составе кумулятивной струи содержится материал, вызывающий экзотермическую реакцию внутри канала, приводящую к образованию волны давления, очищающей канал от обломочного материала.

Представленные ниже чертежи, описание и формула изобретения дают возможность понять преимущества и другие особенности настоящего изобретения.

На чертежах показано:

На фиг.1 - вид в разрезе кумулятивного заряда по варианту воплощения, представленному в качестве примера.

На фиг.2 - вид в разрезе участка пласта и проиллюстрирован процесс создания волны давления внутри перфорационного канала по варианту, представленному в качестве примера.

На фиг.3 - блок-схема, иллюстрирующая технологию удаления обломков из перфорационного канала по варианту, представленному в качестве примера.

На фиг.4 - схематический чертеж скважинного перфоратора по варианту, представленному в качестве примера.

На фиг.5 - схематический чертеж перфоратора насосно-компрессорных труб по варианту, представленному в качестве примера.

На фиг.6 представлена таблица, иллюстрирующая термитные химические соединения, которые могут быть включены в состав облицовки кумулятивного заряда в соответствии с различными вариантами воплощения.

На фиг.7 приведена таблица, в которой представлены соединения в виде нитрата металла и карбоната металла, которые могут быть включены в состав облицовки кумулятивного заряда в соответствии с различными вариантами воплощения.

В поданном ниже описании представлены многочисленные детали, дающие возможность понять настоящее изобретение. Однако квалифицированным специалистам в данной области будет понятно, что настоящее изобретение можно применять без этих частностей и что существует возможность многочисленных вариаций и модификаций, отличающихся от описанных вариантов воплощения изобретения.

Применительно к данному описанию термины «выше» и «ниже», «вверх» и «вниз», «верхний» и «нижний», «направленный вверх» и «направленный вниз», и подобные термины, обозначающие относительное положение данной точки или элемента по высоте, используются для того, чтобы яснее описать некоторые варианты воплощения настоящего изобретения. Однако в случае применения по отношению к оборудованию или способам, используемым в скважинах с наклонным или горизонтальным расположением, эти термины могут относиться, соответственно, к положениям слева направо, справа налево или по диагонали.

Здесь описаны технологии и системы, в которых кумулятивная перфорирующая струя, созданная кумулятивным зарядом, используется как для образования перфорационного канала в горной породе пласта, так и для очистки перфорационного канала от обломков. В частности, как описано здесь, кумулятивный заряд имеет в целом коническую облицовку, которая в момент взрыва кумулятивного заряда схлопывается, образуя кумулятивную струю, которая пробивает перфорационный канал в горной породе пласта. Эта облицовка содержит энергетический материал, вызывающий экзотермическую реакцию внутри перфорационного канала, а эта экзотермическая реакция, в свою очередь, создает волну давления, выталкивающую обломочный материал из этого канала. Резкий подъем температуры, являющийся следствием экзотермической реакции, может дать дополнительные преимущества, например, образование трещин в горной породе пласта под воздействием температурных напряжений, что может позволить уменьшить давление, требуемое для инициирования разрыва пласта, при проведении последующей операции разрыва пласта.

В более конкретном варианте воплощения, представленном в качестве примера, кумулятивный заряд 10 (смотрите фиг.1), в соответствии с этим примером, включает чашеобразную оболочку 12 кумулятивного заряда, в которой содержится участок в виде выемки 21, предназначенный для помещения взрывчатого вещества 16 (в качестве неограничивающего примера выбран октоген), а также облицовку 20 указанной выемки. Как показано на фиг.1, эта облицовка 20 может иметь в целом коническую форму, может быть симметричной относительно перфорационной оси 22 и может иметь толщину, варьирующуюся вдоль оси 22.

В результате детонации взрывчатого вещества 16 (вызванной детонационной волной, распространяющейся по детонирующему шнуру (на фиг.1 не показан), располагающемуся вблизи взрывчатого вещества) стенки облицовки 20 схлопываются навстречу друг другу по оси 22, образуя перфорирующую кумулятивную струю, которая распространяется наружу в направлении 17 по оси 22 в окружающую горную породу пласта, пробивая соответствующий перфорационный канал. Следует отметить, что, хотя кумулятивный заряд 10 на фиг.1 показан без наконечника, однако, квалифицированному специалисту будет понятно, что кумулятивный заряд 10 может включать или не включать наконечник, в зависимости от конкретного варианта воплощения.

В соответствии с более конкретным вариантом воплощения, представленным в качестве примера, энергетический материал облицовки 20 может представлять собой вещество на термитной основе (также именуемое здесь «термитом»). В таком случае облицовка 20 может быть изготовлена из традиционных металлических порошков, соединенных (например, с помощью связующего вещества) с термитным веществом. В других вариантах воплощения облицовка 20 может быть изготовлена целиком из термитного соединения. Более того, как описано ниже, облицовка 20 может включать термитное соединение и газообразующее соединение, способствующее созданию волны давления внутри перфорационного канала.

В других вариантах воплощения облицовка 20 может включать не являющийся термитом энергетический материал, предназначенный для осуществления экзотермической реакции внутри перфорационного канала, и облицовка 20 может включать комбинацию различных энергетических материалов. Следовательно, объем настоящего изобретения, определенный прилагающейся формулой изобретения, предусматривает множество вариантов и композиций изготовления облицовки 20.

Рассматривая фиг.2 совместно с фиг.1, следует отметить, что на фиг.2 показан промежуточный этап операции перфорирования, когда высокоскоростная ведущая часть кумулятивной струи 23 пробила перфорационный канал 54 в горной породе пласта 50, а в перфорационном канале 54 имеется обломочный материал 56. Часть этого обломочного материала 56 может быть представлена, например, порошком из кумулятивной струи 23, а другая часть - обломками горной породы, образованными при пробивании канала 54. В ситуации, показанной на фиг.2, энергетический материал (например, термит) облицовки 20 образует относительно медленную часть кумулятивной струи 23, следующую за ведущей частью этой струи, и воспламеняется (как показано под условным обозначением 70) вследствие соударения этого энергетического материала с горной породой пласта 50 в закрытом конце 66 перфорационного канала 54. В частности, можно сказать, что вследствие этого соударения происходит экзотермическая реакция энергетического материала, что приводит к образованию волны 74 относительно высокого давления, которая распространяется вдоль оси 22 в направлении, противоположном тому направлению, вдоль которого распространяется кумулятивная струя 23, пробивающая перфорационный канал 54.

Таким образом, волна 74 давления распространяется из точки, близкой к закрытому концу 66 (где и образуется волна 74), по перфорационному каналу 64 и выходит из канала 54 через вход 60 этого канала. Волна 74 давления изгоняет обломочный материал 56 из канала 54, как это показано на фиг.2, где иллюстрируется промежуточное состояние, когда обломки 58 вылетают через вход 60 перфорационного канала. На фиг.2 можно также увидеть, что относительно высокое температурное напряжение, созданное экзотермической реакцией энергетического материала, может вызвать образование относительно тонких трещин 80 на закрытом конце 66 перфорационного канала 54. Наличие этих тонких трещин может быть особенно полезным для осуществления в последующем операции разрыва пласта, благодаря тому, что эти трещины могут снизить значение давления, которое могло бы потребоваться для инициации операции разрыва пласта.

Согласно фиг.3 можно кратко сформулировать, что технология 90 перфорирования продуктивного пласта включает создание (блок 92) кумулятивной струи, предназначенной для пробивания перфорационного канала, и включение (блок 94) в кумулятивную струю материала, вызывающего экзотермическую реакцию внутри канала, предназначенную для создания волны давления, очищающей перфорационный канал от обломочного материала.

Некоторые возможные преимущества применения кумулятивного заряда 10 можно кратко сформулировать таким образом: действие кумулятивного заряда 10 осуществляет очистку перфорационного канала путем удаления обломков горной породы и порошка из этого канала, благодаря чему повышается проницаемость перфорированного продуктивного пласта. Более того, кумулятивный заряд 10 может создать трещины в горной породе пласта, что дает преимущество при последующем проведении операции разрыва пласта. Кроме того, волна давления может быть способной удалить часть поврежденной оболочки канала, что еще больше повышает проницаемость пласта.

В том случае, когда энергетический материал облицовки представляет собой термитное соединение, этим веществом может быть одно из термитных соединений, представленных в таблице 250 на фиг.6. В других примерах могут применяться другие соответствующие термитные соединения. Более того, в зависимости от конкретного варианта воплощения, облицовка 20 может включать смесь из одного или нескольких термитных соединений, представленных в таблице 250, в качестве еще одного варианта воплощения. Таким образом, предусмотрено множество вариаций, и все они не выходят за пределы объема изобретения, определенные прилагающейся формулой изобретения.

Как было описано выше, указанная экзотермическая реакция внутри перфорационного канала образует волну давления, очищающую канал от обломочного материала. Эта волна давления может представлять собой газовую волну, и при этом источником газа, в соответствии с одним из вариантов воплощения, может быть уже находящийся внутри породы пласта углеводород и/или вода. С этой точки зрения можно сказать, что сверхвысокая температура, устанавливающаяся в результате экзотермической реакции, создающей волну давления внутри перфорационного канала, приводит к превращению углеводорода и/или воды в газ и к его расширению.

В альтернативном варианте воплощения одной из составляющих или единственной газообразующей составляющей для волны давления может быть продукт реакции, в которой принимает участие газообразующее соединение облицовки 20 (смотрите фиг.1). Касаясь этого вопроса, можно сказать, что облицовка 20 (смотрите фиг.1) может кроме термитного материала или другого энергетического материала включать также газообразующее соединение, включаемое в облицовку 20 для того, чтобы вырабатывать газ, создающий волну давления. Хотя это газообразующее соединение может оставаться в стабильном состоянии до относительно высокой температуры, происходящая внутри канала экзотермическая реакция производит достаточное количество тепла для того, чтобы вызвать реакцию, преобразующую газообразующее соединение (перемещающееся в канале в качестве компонента кумулятивной струи 23 (фиг.2)) в газ.

В качестве неограничивающего примера такого газообразующего соединения можно привести нитрат металла, например, нитрат бария (Ba(NO₃)₂) или нитрат стронция (Sr(NO₃)₂). Другим неограничивающим примером газообразующего соединения может быть карбонат металла, например, карбонат кальция (CaCO₃). Примеры нитратов металлов и карбонатов металлов, которые можно включать в состав облицовки с целью образования газа внутри перфорационного канала, представлены в таблице 280 на фиг.7. В других вариантах воплощения изобретения могут применяться другие соединения в виде нитратов металлов и карбонатов металлов, а также соединения, не являющиеся нитратами металлов и карбонатами металлов.

Кумулятивный заряд 10 можно устанавливать в различные применяемые в скважине инструменты в зависимости от конкретного применения. Например, как показано на фиг.4, множество кумулятивных зарядов 10 может быть установлено в скважинный перфоратор 120. Как видно на фиг.4, скважинный перфоратор 120 может подаваться внутрь скважины в виде части трубной колонны 110, как в данном варианте воплощения. Скважинный перфоратор 120 включает трубчатый корпус 132, в котором размещаются кумулятивные заряды 10. В варианте воплощения, представленном в качестве примера, кумулятивные заряды 10 могут крепиться к внутренней поверхности корпуса 132, например, посредством наконечников этих кумулятивных зарядов 10. Как видно на фиг.4, скважинный перфоратор 120 может также включать детонирующий шнур 124, сообщающий детонационную волну (в качестве неограничивающего примера можно сказать, что она распространяется от стреляющей головки 114 или от другого скважинного перфоратора) для подрыва кумулятивных зарядов 10.

Каждый кумулятивный заряд 10, взрываясь, создает соответствующую радиально направленную кумулятивную перфорирующую струю, которая пробивает окружающую обсадную колонну 104 (если скважина обсажена, как показано на фиг.4), пробивает перфорационный канал в окружающей горной породе пласта 105 и очищает этот канал от обломочного материала, как описано выше.

Следует отметить, что скважинный перфоратор 120 здесь представлен в виде обобщающего примера, поскольку предусмотрены различные варианты его конструкции и применения кумулятивных зарядов 10, что будет понятно квалифицированному специалисту. Например, скважинный перфоратор 120 может представлять собой бескорпусный скважинный перфоратор на ленточной основе, может включать кумулятивные заряды с наконечниками или без наконечников, может включать кумулятивные заряды, фазированные по спирали, может включать кумулятивные заряды, фазированные по плоскостям и т.п., в зависимости от конкретного варианта воплощения изобретения. Независимо от конкретной конструкции, скважинный перфоратор 120 включает по меньшей мере один кумулятивный заряд, имеющий облицовку, предназначенный для формирования перфорационного канала и осуществления экзотермической реакции внутри этого перфорационного канала с целью создания волны давления, изгоняющей обломочный материал из канала. Кроме того, как указывалось выше, облицовка может содержать не только энергетический материал, но также одно или более других химических соединений, например газообразующее соединение, инертное соединение и т.п., в зависимости от конкретного варианта воплощения изобретения.

Кумулятивный заряд 10 можно использовать не только в тех применениях, главной задачей которых является формирование перфорационных каналов. Например, на фиг.5 показан перфоратор 160 насосно-компрессорных труб, включающий множество кумулятивных зарядов 10 в соответствии с другим вариантом воплощения. Этот перфоратор 160 насосно-компрессорных труб можно опускать вниз по скважине с помощью канатно-тросовой установки или кабеля 151 внутри эксплуатационной трубы 170 (неограничивающим примером которой может быть гибкая труба или состыкованная труба), в зависимости от конкретного варианта воплощения изобретения. В целом конструкция этого перфоратора 160 насосно-компрессорных труб такая же, как и у скважинного перфоратора 120 (фиг.4), при этом аналогичные компоненты обозначены аналогичными номерами позиций. Этот перфоратор 160 насосно-компрессорных труб создает кумулятивные струи, которые пробивают соответствующие дырки или отверстия в окружающей трубе 170. То есть в объеме настоящего изобретения, определенном прилагающейся формулой изобретения, предусмотрено множество вариантов применения и использования описанных здесь кумулятивных зарядов, включая такие варианты применения и использования, которые не были конкретно описаны выше.

Настоящее изобретение описано здесь на примере ограниченного числа вариантов его воплощения, однако, квалифицированные специалисты в данной области, пользуясь данным описанием, смогут увидеть множество возможностей для осуществления модификаций и изменений. Предусматривается, что прилагающаяся формула изобретения охватывает все такие модификации и изменения, соответствующие духу изобретения и не выходящие за рамки его объема.

Группа изобретений относится к области добычи нефти и газа. Перфорирующий аппарат для использования в скважине, содержащий кумулятивный заряд; оболочку кумулятивного снаряда; взрывчатое вещество кумулятивного снаряда, расположенное внутри оболочки; облицовку кумулятивного снаряда, сцепляющуюся с взрывчатым веществом и выполненную с возможностью образования кумулятивной струи при детонации взрывчатого вещества для пробивания перфорационного канала; причем компонент энергетического материала облицовки предназначен для осуществления ее экзотермической реакции внутри перфорационного канала после детонации взрывчатого вещества; и газообразующий компонент облицовки предназначен для осуществления реакции в присутствии экзотермической реакции компонента энергетического материала для образования газа и тем самым создания волны давления, которая перемещается назад через канал для очищения канала от обломочного материала. Обеспечивается создание кумулятивной перфорирующей струи, используемой как для образования перфорационного канала в горной породе пласта, так и для очистки перфорационного канала от обломков. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Перфорирующий аппарат для использования в скважине, содержащий:
кумулятивный заряд;
оболочку кумулятивного снаряда;
взрывчатое вещество кумулятивного снаряда, расположенное внутри оболочки; облицовку кумулятивного снаряда, сцепляющуюся с взрывчатым веществом и выполненную с возможностью образования кумулятивной струи при детонации взрывчатого вещества для пробивания перфорационного канала; причем
компонент энергетического материала облицовки предназначен для осуществления ее экзотермической реакции внутри перфорационного канала после детонации взрывчатого вещества; и
газообразующий компонент облицовки предназначен для осуществления реакции в присутствии экзотермической реакции компонента энергетического материала для образования газа и тем самым создания волны давления, которая перемещается назад через канал для очищения канала от обломочного материала.

2. Аппарат по п. 1, в котором компонент энергетического материала содержит термит.

3. Аппарат по п. 1, в котором компонент энергетического материала выбирают так, чтобы в результате экзотермической реакции в горной породе пласта вблизи окончания перфорационного канала образовалась трещина.

4. Аппарат по п. 1, в котором компонент энергетического материала содержит термит, а газообразующий компонент содержит нитрат металла или карбонат металла.

5. Аппарат по п. 1, в котором газообразующий компонент содержит нитрат стронция.

6. Аппарат по п. 1, в котором компонент энергетического материала выбирают так, чтобы в результате экзотермической реакции внутри перфорационного канала нагревалась вода или углеводород для образования расширяющегося газа, создающего волну давления.

7. Аппарат по п. 1, который дополнительно содержит:
по меньшей мере один дополнительный кумулятивный заряд, при этом каждый дополнительный кумулятивный заряд содержит другую оболочку, другое взрывчатое вещество и другую облицовку, при этом указанная облицовка выполнена с возможностью формирования при воздействии другой кумулятивной струи для пробивания другого перфорационного канала и осуществления экзотермической реакции внутри указанного другого перфорационного канала для создания волны давления для очистки указанного другого перфорационного канала от обломочного материала.

8. Аппарат по п. 7, который дополнительно содержит скважинный перфоратор для размещения кумулятивных зарядов.

9. Аппарат по п. 1, в котором газообразующий компонент выбирают из группы, состоящей из нитрата бария, нитрата стронция, нитрата кальция, нитрата лития, карбоната бария, карбоната стронция и карбоната кальция.

10. Перфорирующий аппарат для использования в скважине, содержащий:
кумулятивный заряд;
оболочку кумулятивного снаряда;
взрывчатое вещество кумулятивного снаряда, расположенное внутри оболочки;
облицовку кумулятивного снаряда, сцепляющуюся с взрывчатым веществом и выполненную с возможностью образования кумулятивной струи при детонации взрывчатого вещества для пробивания перфорационного канала;
компонент термита облицовки, предназначенный для осуществления ее экзотермической реакции внутри перфорационного канала после детонации взрывчатого вещества; и
газообразующий компонент облицовки, предназначенный для осуществления реакции в присутствии экзотермической реакции компонента термита для образования газа и тем самым создания волны давления, которая перемещается назад через канал для очищения канала от обломочного материала, при этом
газообразующий компонент облицовки включает по меньшей мере одно из карбоната металла и нитрата металла.

11. Аппарат по п. 10, в котором газообразующий компонент выбирают из группы, состоящей из нитрата бария, нитрата стронция, нитрата кальция, нитрата лития, карбоната бария, карбоната стронция и карбоната кальция.

12. Аппарат по п. 10, в котором газообразующий компонент содержит нитрат стронция.

13. Аппарат по п. 10, который дополнительно содержит скважинный перфоратор для размещения кумулятивных зарядов.

14. Аппарат по п. 10, который дополнительно содержит перфоратор металлических насосно-компрессорных труб для размещения кумулятивного заряда.

15. Способ использования в скважине, в котором:
создают кумулятивную струю для пробивания перфорационного канала путем детонации взрывчатого вещества кумулятивного заряда таким образом, чтобы облицовка кумулятивного заряда отталкивалась от кумулятивного заряда через стенку скважины;
нагревают облицовку и текучую среду в окружности путем экзотермической реакции компонента термита облицовки, инициированной путем детонации взрывчатого вещества кумулятивного заряда;
осуществляют реакцию газообразующего компонента облицовки в результате тепла, полученного при экзотермической реакции компонента термита для образования газа внутри перфорационного канала; и
обеспечивают волну давления газа, полученного путем реакции газообразующего компонента, которая перемещается назад через канал для очищения канала от обломочного материала.

16. Способ по п. 15, в котором экзотермическая реакция компонента термита осуществляет реакцию с водой или углеводородом, присутствующими в перфорационном канале для образования дополнительного газа внутри перфорационного канала.

17. Способ по п. 15, в котором газообразующий компонент выбирают из группы, состоящей из нитрата бария, нитрата стронция, нитрата кальция, нитрата лития, карбоната бария, карбоната стронция и карбоната кальция.