Перфорационная система для ведения прострелочно-взрывных работ в скважинах Российский патент 2023 года по МПК E21B43/117 

Предлагается перфорационная система для прострелочно-взрывных работ в скважинах, с использованием теплоаккумулятора и корпусных кумулятивных перфораторов.

Температурный диапазон использования кумулятивных перфораторов зависит от термостойкости кумулятивных зарядов. Термостойкость зарядов при температурах 150-200°С, как правило, ограничена 1-2 часами. Это обстоятельство не позволяет применять кумулятивные перфораторы при длительных временных выдержках и более высоких температурах.

Известны корпусные кумулятивные перфораторы, корпус которых выполнен из насосно-компрессорных труб, в которых размещены кумулятивные заряды и средства взрывания, см. https://dropdoc.ru/doc/511173/katalog-produkcii-perforacionnye-sistemy-hsdr?ysclid=10upxi5vjt. Их недостатком является то обстоятельство, что температура внутри корпуса быстро повышается при спуске перфоратора в скважину.

Известны также корпусные кумулятивные перфораторы, предусматривающие вакуумирование внутреннего пространства корпуса перфоратора, см. патент RU 2156858. По мнению авторов это уменьшает разогрев взрывчатого вещества кумулятивных зарядов, что дает возможность проводить перфорационные работы в скважинах с температурой более 150°С. Недостатком данного технического решения является его сложность и невысокая степень вакуумирования корпуса. Данный технологический прием не оказывает существенного влияния на температурный режим внутри перфоратора при проведении прострелочно-взрывных работ.

Целью изобретения является разработка перфорационной системы для прострелочно-взрывных работ в скважинах при температуре 200-250°С, позволяющей поддерживать в корпусных кумулятивных перфораторах температуру, обеспечивающую работоспособность кумулятивных зарядов на протяжении нескольких часов. В качестве прототипа взят кумулятивный перфоратор с вакуумурованным корпусом, патент RU 2156858.

Суть изобретения заключается в том, что используются секции перфорационных систем, состоящие из теплоаккумулятора, заполненного водой, и корпусных кумулятивных перфораторов (от 1 до 10 и более перфораторов). Корпуса теплоаккумулятора и кумулятивных перфораторов соединяют с помощью переходников. Внутреннюю и наружную поверхности теплоаккумулятора, кумулятивного перфоратора или перфораторов и переходников покрывают высокотемпературной жидкой теплоизоляцией, например, Термион Вулкан, см. termion.ru>product/altermo-vulkan/.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2 и табл. 1.

В качестве примера реализации предложенного технического решения рассмотрена перфорационная система с теплоаккумулятором и кумулятивными перфораторами ∅89×9,35.

На фиг. 1 представлена перфорационная система, состоящая из теплоаккумулятора и корпусного кумулятивного перфоратора ∅89×9,35.

1 - корпус кумулятивного перфоратора с кумулятивными зарядами и средствами взрывания;

2 - наконечник перфоратора;

3 - корпус теплоаккумулятора;

3.1 - трубка разделительная;

3.2 - заглушка;

3.3 - прокладка герметизирующая;

4 - переходник;

5 - кабельный наконечник/взрывная головка.

На фиг. 2 приведены графики изменения температуры в перфораторах ∅89×9,35 Перфорационных систем в зависимости от температуры в скважине и времени выдержки.

1/1,1/3,1/5,1/10 - перфорационные системы, состоящие из 1 теплоаккумулятора и 1, 3, 5 или 10 корпусных кумулятивных перфораторов, соответственно;

- температура в скважине, Т=200°С;

- температура в скважине, Т=250°С.

В табл. 1 показана динамика роста температуры в перфораторах ∅89×9,35 перфорационных систем в зависимости от температуры в скважине и времени выдержки.

Рассмотрим более подробно предложенное конструктивное решение, см. фиг. 1. Корпусный кумулятивный перфоратор, п. 1 и 2, соединен с теплоаккмулятором, п. 3, 3.1, 3.2 и 3.3, с помощью переходника, п. 4. Где: 1 - корпус перфоратора с кумулятивными зарядами и средствами взрывания; 2 - наконечник перфоратора; 3 - корпус теплоаккумулятора с трубкой разделительной, п. 3.1, заглушками, п. 3.2, и прокладками герметизирующими, п. 3.3; 4 - переходники; 5 - кабельный наконечник/взрывная головка.

Корпус теплоаккумулятора, п. 3, имеет трубку разделительную, п. 3.1, с заглушками, п. 3.2, см. фиг. 1. Трубка, п. 3.1, делит внутренний объем теплоаккумулятора на 2 части. Объем, ограниченный внутренней поверхностью теплоаккумулятора и трубкой разделительной, заполняется водой. Трубка разделительная, п. 3.1, заполнена воздухом, в ней размещаются средства взрывания.

В кольцевых проточках корпусов теплоаккумулятора, п. 3, и кумулятивного перфоратора, п. 1, установлены прокладки герметизирующие, п. 3.3, не позволяющие воде заполнить кольцевой зазор между корпусами теплоаккумулятора и кумулятивного перфоратора (перфораторов) и переходниками, см. фиг. 1. Это снижает интенсивность теплового потока в теплоаккумулятор и кумулятивный перфоратор при приведении прострелочно-взрывных работ в скважине.

Объем воды в теплоаккумулятире находится из выражения:

где: V_вод - объем воды при рабочей температуре в скважине,

V_т - объем теплоаккумулятора, заполняемого водой.

Внутреннюю и наружную поверхности кумулятивного перфоратора и теплоаккумулятора покрывают высокотемпературной жидкой теплоизоляцией. Рекомендуемая толщина покрытия: внутренней поверхности - 1 мм, наружной поверхности - 1,5 мм.

Рассмотрим особенности температурного режима в перфораторе при работе в скважине. Корпусный кумулятивный перфоратор (перфораторы) в сборе с теплоаккумулятором, который располагается перед кумулятивным перфоратором (перфораторами), опускается на кабеле или насосно-компрессорных трубах в скважину. Так как внутренние и наружные поверхности теплоаккумулятора и кумулятивного перфоратора (перфораторов) покрыты жидкой теплоизоляцией, интенсивность теплового потока снижается. Благодаря высокой теплоемкости воды, температура в теплоаккумуляторе повышается с меньшей скоростью, чем в кумулятивном перфораторе. При нагревании кумулятивного перфоратора теплый воздух поднимается вверх, в трубку теплоаккумулятора, охлаждается и опускается вниз, в кумулятивный перфоратор (перфораторы). Постоянная циркуляция воздуха обеспечивает приемлемый температурный режим для кумулятивных зарядов.

На фиг. 2 представлены графики изменения температуры в корпусных кумулятивных перфораторах ∅89×9,35 Перфорационных систем в зависимости количества перфораторов, температуры в скважине и времени выдержки. Графики построены на основе расчетных данных, см. табл. 1, при температурах в скважине 200 и 250.

Графики изменения температуры в перфораторах при температуре в скважине 200 и 250°С позволяют сделать вывод о возможности использования кумулятивных перфораторов в этих экстремальных условиях при достаточно больших временных выдержках, см. фиг. 2.

В табл. 1 представлены расчетные данные по изменению температуры в перфораторах ∅89×9,35 в зависимости от времени выдержки перфорационных систем в скважине при температурах 200 и 250°.

Температурный режим оценивается с учетом тепловых потоков в теплоаккумулятор и перфоратор, которые могут быть найдены по формуле:

где: - рабочая длина корпуса теплоаккумулятора и корпусного кумулятивного перфоратора;

Т°_нар и Т°_вн температура в скважине и внутри корпусов теплоаккумулятора и перфоратора,

α₁ - коэффициенты теплоотдачи внутри теплоаккумулятора и кумулятивного перфоратора,

α₂ - коэффициент теплоотдачи снаружи теплоаккумулятора и кумулятивного перфоратора;

d_i - диаметры слоев: d₁ - внутренний диаметр корпуса теплоаккумулятора и кумулятивного перфоратора;

d₂ и d₃ - диаметры границ между теплоизоляционным покрытием и внутренней и наружной поверхностью корпусов теплоаккумулятора и кумулятивного перфоратора, соответственно;

d₄ - наружный диаметр теплоаккумулятора и перфоратора;

λ_i - теплопроводность материалов:

λ₁=λ₃ - теплопроводность теплоизоляционного покрытия, λ₂ - теплопроводность стали.

Расчет коэффициентов теплоотдачи α₁ и α₂ выполнен с помощью онлайн калькулятора, см. https://caetec.ru/calconline/raschet-koefficzientov-teplootdachi.html. При расчете учитываются геометрические размеры теплоаккумулятора и корпусного кумулятивного перфоратора, температура скважинной жидкости, скорости потоков теплоносителей, а так же такие характеристики рабочих сред как удельная теплоемкость, динамическая вязкость, плотность и коэффициент теплопроводности.

Скорость потока теплоносителя (воздуха) в корпусных кумулятивных перфораторах перфорационных систем зависит от количества корпусных кумулятивных перфораторов и разницы температур в скважине и внутри перфоратора. Необходимо учитывать то обстоятельство, что эффективный теплообмен между рабочими средами корпусного кумулятивного перфоратора и теплоаккумулятора возможен при условии, когда за время, τ, час, в температурном диапазоне T_i-T_i+1 теплоноситель в корпусных кумулятивных перфораторах проходит расстояние равное или большее суммарной длины всех корпусных кумулятивных перфораторов перфорационной системы.

Коэффициент теплоотдачи определен для корпусных кумулятивных перфораторов при скоростях потока теплоносителя 0,01 м/сек, см. табл. 1. Для перфорационных систем с 1 и 3 корпусными кумулятивными перфораторами эти скорости обеспечивают эффективный теплообмен между рабочими средами при максимальной разнице температур в скважине и в корпусе перфораторе. Для систем с 5 и 10 корпуснми кумулятивными перфораторами эти скорости являются усредненными (в диапазоне 20-200°С). При максимальной разнице температур в скважине и кумулятивном перфораторе скорость потока в этих системах будет выше. С повышением температуры в корпусных кумулятивных перфораторах (при длительных выдержках) интенсивность теплового потока, скорость потока и коэффициент теплоотдачи снижаются.

Использование при расчетах максимальных и усредненных значений скоростей потока теплоносителя (воздуха) для перфорационных систем с разным количеством корпусных кумулятивных перфораторов обеспечивает консервативную оценку динамики роста температур в перфораторах при проведении прострел очно-взрывных работ в скважинах.

В теплоаккумуляторе и скважине скорость потока рабочей среды принята равной 0,00001 м/сек. Рабочая среда практически неподвижна.

Как видно из табл. 1 и фиг. 2, перфорационная система, состоящая из теплоаккумулятора и корпусного кумулятивного перфоратора, позволяет вести прострелочно-взрывные работы при температурах 200 и 250°С и времени нахождения перфораторов в скважине до 6 и 3 часов, соответственно.

Предложена перфорационная система ведения прострелочно-взрывных работ в скважинах, состоящая из теплоаккумулятора и перфоратора или перфораторов с кумулятивными зарядами и средствами взрывания, соединенных переходниками. Теплоаккумулятор имеет разделительную трубку с заглушками, которая делит внутренний объем теплоаккумулятора на две части. Объем, ограниченный внутренней поверхностью теплоаккумулятора и разделительной трубкой, заполнен водой, а внутри разделительной трубки находится воздух и размещены средства взрывания. Внутренняя и наружная поверхности теплоаккумулятора, перфоратора или перфораторов и переходников покрыты высокотемпературной жидкой теплоизоляцией. В месте соединения корпуса теплоаккумулятора и корпуса кумулятивного перфоратора с переходниками в корпусах теплоаккумулятора и перфоратора или перфораторов выполнены кольцевые проточки, в которых установлены герметизирующие прокладки. Техническим результатом является возможность проведение прострелочно-взрывных работ при температурах 200-250°С продолжительностью до 6-3 часов, соответственно. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Перфорационная система для прострелочно-взрывных работ в скважинах, содержащая секции, включающие один или несколько корпусных кумулятивных перфораторов с кумулятивными зарядами и средствами взрывания и теплоаккумулятор, выполненный в виде корпуса с разделительной трубкой, которая делит внутренний объем теплоаккумулятора на две части, объем, ограниченный внутренней поверхностью теплоаккумулятора и разделительной трубкой, заполнен водой, а в разделительной трубке находится воздух и размещены средства взрывания, сами же корпусы теплоаккумулятора и кумулятивного перфоратора или перфораторов соединены переходником или переходниками.

2. Перфорационная система по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя и наружная поверхности корпусов теплоаккумулятора и кумулятивного перфоратора или перфораторов и переходников покрыты высокотемпературной жидкой теплоизоляцией.

3. Перфорационная система по п. 1, отличающаяся тем, что в месте соединения корпуса теплоаккумулятора и корпуса кумулятивного перфоратора с переходниками в корпусах теплоаккумулятора и перфоратора или перфораторов выполнены кольцевые проточки, в которых установлены герметизирующие прокладки.