УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНИЦИИРОВАНИЯ ПЕРФОРАТОРА НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ Российский патент 2021 года по МПК E21B43/1185 

Изобретение относится к области систем перфорации нефтяных скважин. Более конкретно, настоящее изобретение относится к системам, предназначенным для передачи детонирующих сигналов от инициирующего заряда взрывчатого вещества к кумулятивным зарядам в составе перфорационного блока для простреливания нефтяной скважины.

В типичном случае выполнение перфораций в обсадной колонне осуществляется посредством детонации внутри обсадной колонны кумулятивных зарядов взрывчатых веществ на глубине рядом с пластами, из которых намечается добывать нефть и газ. Кумулятивные заряды составляют таким образом, чтобы направлять энергию детонации взрывчатых веществ по суженной схеме, которая называется "кумулятивной струей", пробивая отверстие в обсадной колонне.

Инициирование кумулятивных зарядов происходит с помощью детонирующего сигнала, который передается от инициатора через полую металлическую, матерчатую или пластмассовую трубку, заполненную бризантным взрывчатым веществом большой мощности. Инициатором может служить электрический капсюль-детонатор с веществом типа азида свинца, инициатор электрического действия типа взрывного электровоспламенительного мостика (ИВМ), инициатор электрического действия типа взрывной фольги (ИВФ) и инициатор ударного действия на базе взрывчатых веществ. Заполненная взрывчатым веществом трубка применяется в большинстве случаев под названием "детонирующий шнур".

Инициирующий взрывной снаряд ударного действия применяется, как правило, в системах перфорации нефтяных скважин, известных под названием "трубчатых передаточных" систем. Перфораторы на базе трубчатых передаточных систем используются для простреливания перфораций в нефтяной скважине без необходимости введения внутрь скважины электрического кабеля. Выполнение перфораций в нефтяной скважине без введения внутрь скважины электрического кабеля позволяет достигать инициирования кумулятивных зарядов и как следствие этого пробивания перфораций при намного более низком давлении внутри скважины, чем гидростатическое давление нефти и газа в пределах нефтяного пласта, в результате чего полученные перфорации могут обладать повышенным гидравлическим коэффициентом полезного действия.

Инициаторы ударного действия, входящие в состав трубчатых передаточных систем, приводятся в действие стержнем или "ломом", который сбрасывают с поверхности земли вниз по скважине на инициатор. Другой вариант инициатора ударного действия, который называется инициатором "пневматического действия", имеет поршень с ограничителем в виде срезных штифтов, смонтированных внутри корпуса. С одного конца корпус герметично изолирован от воздействия давления в скважине, тогда как тыльная сторона поршня испытывает на себе воздействие давления в скважине через открытый противоположный конец корпуса. На скважину можно воздействовать гидростатическим давлением, создавая его на земной поверхности в устье скважины. Давление передается на тыльную сторону поршня до тех пор, пока воздействующее на поршень гидравлическое усилие не превысит предел прочности при сдвиге срезных штифтов. При разрушении срезных штифтов поршень высвобождается, получает возможность передвигаться и ударяет по инициатору, инициируя взрыв тем же способом, что и инициирование со сбрасыванием вниз лома.

Известные в данной области техники трубчатые передаточные перфорационные системы оснащены, как правило, вторым инициатором, который позволяет, в том случае, если не происходит срабатывания первого инициатора и связанного с ним детонирующего шнура, а значит, и детонации кумулятивных зарядов, преодолевать отказ, приводя в действие этот второй инициатор. Подобные системы называются системами двойного резервирования с воспламенительным механизмом. Недостатком известных в данной области техники систем двойного резервирования с воспламенительным механизмом является свойственная им вероятность повреждения дополнительного инициирующего заряда в результате отказа низкого порядка в первом инициаторе, в результате которого - даже при качественной детонации второго инициатора - может не произойти передачи детонирующего сигнала к кумулятивным зарядам.

Известен способ, позволяющий предотвращать повреждения дополнительного инициирующего заряда за счет создания преграды между дополнительным инициирующим зарядом и детонирующим шнуром. Через эту преграду может проходить кумулятивный заряд, расположенный в одном конце детонирующего шнура, который осуществляет взрывное проникновение сквозь преграду лишь при условии надлежащего инициирования "высокого порядка" детонирующего шнура (см. патент США US 4650009, МПК 7 E21B 43/116, 1987 г.).

Однако указанная система предназначена для использования с одним инициатором и детонирующим шнуром либо для передачи детонирующего сигнала по одному взрывному пути через последовательно связанные секции перфоратора. Поэтому система непригодна для применения в системах со стреляющим механизмом с резервированием, поскольку в ней имеется всего один кумулятивный заряд. Отказ низкого порядка первого инициатора способен причинить повреждение кумулятивного заряда, в результате которого даже при правильной детонации второго инициатора не будет происходить детонация кумулятивного заряда, препятствуя нормальной детонации перфорированного блока в целом.

Известны головки инициирующие механические ИСКРА 73-М и ИСКРА 86-М, которые предназначены для инициирования детонационной цепи кумулятивных перфораторов, спускаемых в нефтяные и газовые скважины на НКТ. Головки применяются для работы в вертикальных и наклонно-направленных скважинах с углом наклона не более 45°. Механизм инициирования головки - механический. Инициирование головки происходит от воздействия сбрасываемой в скважину ударной штанги на втулку ударного механизма головки (см. http://www.promperforator.ru/mechanical_iskra).

Недостатком данных головок является невозможность применения в системах со стреляющим механизмом с резервированием.

Известна система перфоратора с воспламенительным механизмом с резервированием, которая способна вызывать детонацию кумулятивных зарядов даже после отказа низкого порядка в первом инициирующем заряде взрывчатых веществ и/или детонирующем шнуре. Устройство содержит первую воспламенительную головку для формирования первого сигнала подрыва при подаче первого возбуждающего сигнала на первую воспламенительную головку и вторую воспламенительную головку для формирования второго сигнала подрыва при подаче второго возбуждающего сигнала на вторую воспламенительную головку. Устройство включает в себя первое средство передачи первого сигнала подрыва к кумулятивным зарядам, находящимся внутри перфоратора. Первое средство передачи первого сигнала подрыва включает в себя первую перегородку, расположенную между кумулятивными зарядами и первым средством передачи, которая препятствует передаче инициирующего воздействия низкого порядка от первого средства передачи первого сигнала подрыва к кумулятивным зарядам. Устройство включает в себя второе средство для передачи второго сигнала подрыва к кумулятивным зарядам. Второе средство передачи второго сигнала подрыва включает в себя вторую перегородку, расположенную между кумулятивными зарядами и вторым средством передачи, которая препятствует передаче инициирующего воздействия низкого порядка от второго средства передачи второго сигнала подрыва к кумулятивным зарядам. В одном из вариантов осуществления изобретения первая воспламенительная головка включает в себя воспламенительную головку ударного действия, а вторая воспламенительная головка - воспламенительную головку пневматического действия (приводимую в действие под давлением). Данный вариант известного решения принят за прототип (см.патент РФ № 2170813, МПК E21B 43/1185 (2000.01), 2001 г.).

Недостатком прототипа является повышенная опасность устройства при его подъеме на поверхность в случае, если происходит правильное срабатывание одной из детонационных линий. В этом случае не происходит срабатывание и уничтожение взрывного механизма (ВМ) во второй детонационной линии. В результате в головке остается ВМ (кумулятивный заряд, с помощью которого должна передаваться энергия детонации к перфоратору, а так же детонирующий шнур), который поднимается на поверхность, что может привести к несанкционированному срабатыванию ВМ.

Техническая проблема, решаемая изобретением - повышение надежности работы устройства и повышение его безопасности при подъеме на поверхность после срабатывания.

Поставленная техническая проблема решается за счет того, что в известном устройстве для инициирования перфоратора нефтяной скважины, содержащем корпус с расположенными в нем двумя независимыми друг от друга воспламенительными головками, возбуждаемыми ударными механизмами и соединенными со средствами передачи энергии детонации к кумулятивным зарядам, находящимся в упомянутом перфораторе, одна из которых выполнена с возможностью возбуждения от давления жидкости (пневматического действия), а корпус снабжен средством для создания давления жидкости для ее инициирования через затрубное пространство, в соответствии с изобретением, устройство снабжено расположенным в нижней части корпуса соединителем, в верхней и нижней частях которого установлены устройства передачи детонации, попарно соединенные между собой детонационными шнурами, устройства передачи детонации, установленные в верхней части соединителя связаны с соответствующим средством передачи энергии детонации от каждой из воспламенительных головок, причем средство для создания давления для возбуждения воспламенительной головки выполнено в корпусе в виде отверстий, соотношение площади сечения которых к площади сечения ударного механизма, инициирующего воспламенительную головку, составляет K*Si ≥ S₂,

где К - коэффициент срабатывания воспламенительной головки, где 2 ≤ К ≤ 4,

Si - площадь сечения отверстия средства для создания давления,

S₂ - площадь сечения ударного механизма.

Обе воспламенительные головки выполнены с возможностью возбуждения от давления жидкости (пневматического действия).

В нижней части соединителя устройства передачи детонации установлены в одном отверстии с обеспечением плотного контакта.

Технический результат от использования всех существенных признаков заявленного изобретения заключается в повышении надежности работы устройства и повышении безопасности при подъеме на поверхность после срабатывания.

Наличие в устройстве расположенного в нижней части корпуса соединителя, в верхней и нижней частях которого установлены устройства передачи детонации, попарно соединенные между собой детонационным шнуром, а верхние устройства передачи детонации соединены с соответствующим средством передачи энергии детонации от каждой из воспламенительных головок, и выполнение средства для создания давления для возбуждения воспламенительной головки в виде отверстий, соотношение площади сечения которых к площади сечения ударного механизма, инициирующего воспламенительную головку, составляет K*Si ⋅ S₂,

где К - коэффициент срабатывания воспламенительной головки, где 2 ≤ К ≤ 4,

Si - площадь сечения отверстия средства для создания давления,

S₂ - площадь сечения ударного механизма,

обеспечивает повышение надежности работы устройства и повышение его безопасности при подъеме на поверхность после срабатывания.

За счет наличия соединителя, в верхней и нижней частях которого установлены устройства передачи детонации, попарно соединенные между собой детонационным шнуром, а верхние устройства передачи детонации соединены с соответствующим средством передачи энергии детонации от каждой из воспламенительных головок, обеспечивается уничтожение в устройстве после срабатывания одной из воспламенительных головок всех ВМ (Взрывчатых материалов) приводит к повышению безопасности, поскольку остатки ВМ, подвергавшиеся воздействию температуры и давления, при разборке на поверхности сработавшего устройства представляют собой опасность.

Выполнение средства для создания давления для возбуждения воспламенительной головки в виде отверстий, соотношение площади сечения которых к площади сечения ударного механизма, инициирующего воспламенительную головку, составляет K*Si ≥ S₂,

где К - коэффициент срабатывания воспламенительной головки, где 2 ≤ К ≤ 4,

Si - площадь сечения i-го отверстия средства для создания давления,

S₂ - площадь сечения ударного механизма,

обеспечивает повышение надежности срабатывания второй воспламенительной головки. Одна из воспламенительных головок инициируется от давления жидкости в скважине, которое передается на верхний торец ударного механизма, выполненного в виде поршневой группы (S₂) через отверстия в корпусе (S_i). Количество отверстий в корпусе и площадь каждого из отверстий рассчитана посредством выбранного значения коэффициента срабатывания К. При этом суммарная площадь сечения всех отверстий средства для создания давления в корпусе больше или равна площади сечения ударного механизма (поршня в поршневой группе) (K*Si ≥ S₂), что позволяет поддерживать расход жидкости при движении ударного механизма вниз и исключает эффект поршневания (создания зоны разряжения над ударным механизмом при его движении вниз) и снижение его скорости в процессе движения.

Фиг. 1 - поперечное сечение устройства;

Фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1;

Фиг. 3 - вид Б фиг 1 в увеличенном масштабе;

Фиг. 4 - соединитель, аксонометрия.

Устройство для инициирования перфоратора нефтяной скважины содержит корпус 1 с расположенными в нем двумя независимыми друг от друга воспламенительными головками 2, 3, возбуждаемыми ударными механизмами 4, 5. Каждая из воспламенительныех головок 2, 3 соединена со своим средством 6 передачи энергии детонации к кумулятивным зарядам (условно не показаны), находящимся в упомянутом перфораторе. Воспламенительная головка 3 выполнена с возможностью возбуждения от давления жидкости (пневматического действия), а воспламенительная головка 2 - ударного действия. В частном случае обе воспламенительные головки 2, 3 могут быть выполнены с возможностью возбуждения от давления жидкости (пневматического действия).

Корпус 1 устройства для инициирования перфоратора состоит из верхней 7 и нижней 8 частей (см. фиг. 1), которые герметично соединены между собой. Верхняя часть 7 корпуса служит для присоединения к нижней части колонны насосно-компрессорных труб (НКТ). Его внутренняя полость сообщается с полостью НКТ, через которую для инициирования ударного механизма 4 спускают «штангу». Воспламенительная головка 2 расположена в верхней части 7 корпуса 1 и содержит детонатор ударный 9, который через устройство передачи детонации 10 соединен со средством 6 передачи энергии детонации к кумулятивным зарядам. Средство 6 передачи энергии детонации к кумулятивным зарядам для воспламенительной головки 2 выполнено в виде детонационного шнура (см. фиг. 1).

Воспламенительная головка 3 установлена в нижней части 8 корпуса 1. Нижняя часть 8 корпуса 1 снабжена средством для создания давления жидкости для инициирования воспламенительной головки 3 через затрубное пространство. Указанное средство для создания давления жидкости для возбуждения воспламенительной головки 3 выполнено в виде отверстий 11, расположенных в верхней зоне нижней части 8 корпуса 1 (см. фиг. 1, 2 ). Количество отверстий 11 средства для создания давления жидкости в корпусе и площадь Si каждого из отверстий рассчитана посредством выбранного значения коэффициента срабатывания К из пределов 2 ≤ К ≤ 4. Соотношение площади сечения отверстий 11 к площади сечения ударного механизма 5, инициирующего воспламенительную головку 3, составляет K*Si ≥ S₂,

где К - коэффициент срабатывания воспламенительной головки,

Si - площадь сечения отверстия средства для создания давления,

S₂ - площадь сечения ударного механизма.

Ударный механизм 5 воспламенительной головки 3 состоит из: штока 12, коронки 13, бойка 14 и компенсатора. S2 – площадь сечения ударного механизма равна площади сечения штока 12. Шток 12 соединен с коронкой 13 штифтами срезными 15. Боёк 14 служит для инициирования детонатора ударного 9 и соединен со штоком 12 по резьбе с применением фиксатора резьбы. К бойку 14 шплинтом крепится компенсатор (условно не показан), служащий для демпфирования удара штока по корпусу внутреннему.

Гайка-фиксатор с установленным детонатором ударным 9 соединена с корпусом внутренним 16 в его нижней части резьбовым соединением с герметизацией уплотнительным кольцом.

Устройство для инициирования перфоратора снабжено расположенным в нижней части 8 корпуса 1 соединителем 17 (см. фиг.1, 3, 4). В верхней 18 и нижней 19 частях соединителя 17 установлены устройства передачи детонации 10. В верхней 18 части соединителя 17 устройства передачи детонации 10 расположены в соответствующих отверстиях 20, 21. В нижней 19 части соединителя 17 устройства передачи детонации 10 установлены в одном отверстии 22 с обеспечением плотного контакта друг с другом. Одно устройство передачи детонации 10, расположенное в верхней 18 части соединителя связано со средством 6 передачи энергии детонации и устройством передачи детонации 10 воспламенительной головки 2. Второе устройство передачи детонации 10, расположенное в верхней 18 части соединителя 17 соединено с детонатором ударным 9 воспламенительной головки 3 и служит средством 6 передачи энергии детонации для данной воспламенительной головки. Каждое из устройств передачи детонации 10 расположенных в верхней 18 части соединителя 17 через детонационный шнур 23 соединено с соответствующим устройством передачи детонации 10, расположенным в нижней части 19 соединителя, образуя две пары, каждая из которых соответствует собственной воспламенительной головке 2 и 3.

Устройства передачи детонации 10 (УПД) могут быть выполнены, например, в виде металлической гильзы с запрессованным в нее взрывчатым веществом. В полость гильзы вставляется конец детонирующего шнура и обжимается.

Ниже описана работа устройства.

Инициирование воспламенительной головки 2 происходит следующим образом.

После установки компоновки перфораторов в требуемом интервале перфорации через устьевую задвижку внутрь колонны НКТ вбрасывается штанга ударная. Удар штанги высвобождает ударник. Ударник под действием гидростатического давления скважинной жидкости, производит удар по детонатору 9, инициируя его. В штатной ситуации, когда срабатывает воспламенительная головка 2, детонатор ударный 9 передает энергию детонации устройству передачи детонации 10, которое «заводит» средство 6 передачи энергии детонации к кумулятивным зарядам, выполненное в виде детонационного шнура (см. фиг. 1) и передающее энергию детонации к устройству передачи детонации 10, расположенному в нижней части корпуса 8. Данное устройство детонации 10 передает энергию детонации аналогичному устройству передачи детонации 10, расположенному в отверстии 21 в верхней 18 части соединителя 17. Устройство передачи детонации 10 «заводит» детонационный шнур 23, который передает детонацию на соединенное с ним устройство передачи детонации 10, расположенное в отверстии 22 нижней части 19 соединителя. Данное устройство передачи детонации 10 воспламеняется и за счет плотного контакта со вторым аналогичным устройством передачи детонации 10, установленным в этом же отверстии 22, передает детонацию ему. Далее второе устройство передает детонацию на детонационный шнур 23 соединенный со вторым устройством передачи детонации 10, расположенным в отверстии 21 в верхней 18 части соединителя 17, возбуждая и его. За счет этого детонация передается ко второй воспламенительной головке 3, вызывая ее уничтожение. Однако, одновременно с этим, усиленная детонация от двух устройств передачи детонации 10, расположенных в отверстии 22 в нижней части 19 соединителя передается и ниже на кумулятивные заряды перфоратора.

В случае, когда воспламенительная головка 2 по каким-то причинам не срабатывает, оператор инициирует работу воспламенительной головки 3. Для этого в полости скважины создаётся предварительно рассчитанное давление жидкости, которое через отверстия 11 средства для создания давления жидкости для инициирования воспламенительной головки 3 через затрубное пространство передается на ударный механизм 5. За счет того, что площадь сечения отверстий 11 больше площади сечения ударного механизма 5, инициирующего воспламенительную головку 3, этого давления достаточно для среза штифтов 15. Шток 12, освободившись от коронки 13, под действием давления жидкости ударяет бойком 14 по детонатору ударному 9, возбуждая в нем детонацию. Дальнейшее срабатывание аналогично описанному выше.

При инициировании одной детонационной цепи, другая детонационная цепь уничтожается.

После завершения работ по перфорации скважины и подъёма компоновки на поверхность устройство разбирают, осматривают, промывают, при необходимости меняют разрушенные и поврежденные детали на детали из рем. комплекта, укладывают на хранение до следующего применения.

Устройство для инициирования перфоратора может быть изготовлено из известных применяемых в данной области техники элементов и материалов.

Устройство для инициирования перфоратора может быть использовано нефте- и газодобывающей сфере при перфорации скважин.

Изобретение относится к области систем перфорации нефтяных скважин. Устройство для инициирования перфоратора нефтяной скважины содержит корпус с расположенными в нем последовательно установленными воспламенительными головками, возбуждаемыми независимыми друг от друга ударными механизмами, соединенными со средствами передачи энергии детонации к кумулятивным зарядам, находящимся в упомянутом перфораторе, одна из которых выполнена с возможностью возбуждения от давления жидкости, а корпус снабжен средством для создания давления жидкости для ее инициирования через затрубное пространство. Устройство снабжено расположенным в нижней части корпуса соединителем, в верхней и нижней частях которого установлены устройства передачи детонации, попарно соединенные между собой детонационными шнурами. Каждое из устройств передачи детонации, установленных в верхней части соединителя, связаны с соответствующей воспламенительной головкой, причем средством передачи энергии детонации между одной из воспламенительных головок и соответствующим ей устройством передачи детонации является детонирующий шнур, а средство для создания давления для возбуждения воспламенительной головки выполнено в корпусе в виде отверстий, соотношение площади сечения которых к площади сечения ударного механизма, инициирующего воспламенительную головку, составляет K*S_i ≥ S₂, где К – коэффициент срабатывания воспламенительной головки, где 2 ≤ К≤ 4; Si – площадь сечения отверстия средства для создания давления; S₂ – площадь сечения ударного механизма. Обеспечивается повышение надежности работы устройства и повышение безопасности при подъеме на поверхность после срабатывания. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для инициирования перфоратора нефтяной скважины, содержащее корпус с расположенными в нем последовательно установленными воспламенительными головками, возбуждаемыми независимыми друг от друга ударными механизмами, соединенными со средствами передачи энергии детонации к кумулятивным зарядам, находящимся в упомянутом перфораторе, одна из которых выполнена с возможностью возбуждения от давления жидкости, а корпус снабжен средством для создания давления жидкости для ее инициирования через затрубное пространство, отличающееся тем, что устройство снабжено расположенным в нижней части корпуса соединителем, в верхней и нижней частях которого установлены устройства передачи детонации, попарно соединенные между собой детонационными шнурами, каждое из устройств передачи детонации, установленных в верхней части соединителя, связаны с соответствующей воспламенительной головкой, причем средством передачи энергии детонации между одной из воспламенительных головок и соответствующим ей устройством передачи детонации является детонирующий шнур, а средство для создания давления для возбуждения воспламенительной головки выполнено в корпусе в виде отверстий, соотношение площади сечения которых к площади сечения ударного механизма, инициирующего воспламенительную головку, составляет

K*S_i ≥ S₂, где

К – коэффициент срабатывания воспламенительной головки, где 2 ≤ К≤ 4;

S_i – площадь сечения отверстия средства для создания давления;

S₂ – площадь сечения ударного механизма.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что обе воспламенительные головки выполнены с возможностью возбуждения от давления жидкости.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в нижней части соединителя устройства передачи детонации установлены в одном отверстии с обеспечением плотного контакта.