Микропроцессорный прибор инициирования

Полезная модель относится к устройствам для проведения прострелочно-взрывных работ в различных скважинах и, в частности, нефтяных или газовых скважинах различного типа - вертикальных, наклонных и горизонтальных. При этом одним из важных условий успешного и технологичного осуществления перфорации является безопасность работы с применяемыми зарядами.
В настоящее время для перфорации продуктивного пласта в скважине с использованием следующих методы инициирования:
сброс штанги инициирующей;
спуск штанги инициирующей на кабеле или гибкой трубе;
продавливание шара по насосно-компрессорной трубе;
применение взрывных головок гидравлического действия;
Известные решения позволяют осуществлять инициирование зарядов без использования проводных каналов связи. Общим недостатком всех вышеупомянутых методов является невозможность осуществления селективной - выборочной перфорации.
Селективная перфорация необходима для случаев особо щадящего режима вторичного вскрытия пласта с требованиями минимального воздействия на элементы крепления скважины, зоны верхних и нижних вод, опасных по нежелательному обводнению извлекаемой полезной продукции пласта при одновременной необходимости мощного воздействия на центральные зоны вскрываемого пласта с неоднородными фильтрационными свойствами.
При этом, не исключаются другие возможные варианты, требующие необходимости именно селективной перфорации скважины вплоть до вариантов с рассмотрением порядка, времени и последовательности работы каждого из зарядов и/или групп зарядов перфоратора с обеспечением надежности работы именно по выбранной схеме - с предотвращением всякой возможности несанкционированного срабатывания зарядов и/или групп зарядов.
Непроизвольное отклонение от выбранной схемы работы зарядов перфоратора ведет к суммированию нагрузок, действующих на охраняемые зоны элементов скважины и/или геологические зоны и, следовательно к нарушению необходимого режима содержания эксплуатируемого объекта и снижению объема извлечения флюида пласта - его полезной продукции.
Известен способ перфорации продуктивного пласта в скважине, обеспечивающий возможность селективной перфорации, путем разнесения по времени залпов зарядов за счет использования выполненной определенным образом электрической схемы (см. патент РФ №2065932, 27.08.1996, МПК E21B 43/116).
Недостатком известного способа является низкая эффективность перфорации и повышенная опасность преждевременного срабатывания зарядов из-за возможности наводок случайных токов в проводную систему инициирования, случайного включения электрической цепи.
Известен способ инициирования перфораторов, спускаемых на насосно-компрессорных трубах, который предусматривает для его реализации включение в компоновку перфоратора, по меньшей мере, одного электронного узла с автономным источником питания и памятью для подрыва зарядов в перфораторе с принятой последовательностью и временем их подрыва, при этом подрыв зарядов каждой из групп предусматривают с дополнительным условием реализации физических событий в скважине, которые заранее программируют из условия исключения их реализации в виде случайных событий, записывают упомянутую программу в памяти узла для подрыва, а затем осуществляют ранее запрограммированные события в скважине для разрешения узлу подрыва осуществления собственно подрыва групп зарядов (см. патент РФ №2500881, 10.12.2013, МПК E21B 43/11).
Из открытого источника известно электронное инициирующее устройство перфораторов одного из авторов изобретения для реализации вышеуказанного способа состоящее из следующих блоков:
источника питания;
преобразователей физических величин в электрические сигналы (датчиков);
нормирующих усилителей;
аналого-цифрового преобразователя;
устройства сравнения сигналов;
энергонезависимой памяти;
реле давления;
исполнительного модуля.
(аналог - Меркулов Александр Алексеевич, НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ СКВАЖИНЫ С ПЛАСТОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ ВЗРЫВА, с. 132-140, Москва - 2016 г. http://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-nauchnye-osnovy-sozdaniya-effektivnoy-gidrodinamicheskoy-svyazi-skvazhiny.pdf.).
Недостатком является недостаточная степень раскрытия информации по устройству, что, как минимум, представляет опасность при его эксплуатации, а возможно и неработоспособность:
- существует опасность преждевременного срабатывания зарядов из-за того, что датчик давления не имеет защиты, которая является обязательной при условии многоразового применения устройства.
- не описана конкретная схема взаимодействия структурных элементов между собой, а это является важным для обеспечения работоспособности устройства.
- не ясна формулировка про замыкание блокирующих контактов при давлении 5 Мпа, т.к. не ясно что эти контакты блокируют и в каком состоянии происходит блокировка - в разомкнутом или в замкнутом.
- не описан модуль для защиты электронной головки от взрывного воздействия инициируемого оборудования (перфоратора, взрыв-пакера и т.д.).
Из уровня техники не выявлено наиболее близких решений к заявляемому устройству.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является повышение безопасности при работе для обеспечения требуемой работоспособности устройства.
Поставленная техническая проблема решается за счет того, что разработан микропроцессорный прибор инициирования, содержащий внешний корпус с установленным в нем каркасом, на котором закреплены источник питания, штуцер, с размещенными в нем соосно датчиком давления и демпфером, плата, несущая электронные компоненты; с внешним корпусом через электрогидравлическое предохранительное реле давления соединен блок детонации, снабженный контактным блоком.
Электронные компоненты платы включают датчик положения в пространстве с функцией акселерометра, датчик температуры, силовой инициирующий модуль, память устройства, контроллеры.
Контактный блок содержит первый и второй транзитные герметичные контакты и герметизирующие уплотнительные элементы.
Второй транзитный герметичный контакт расположен в блоке детонации, а первый транзитный герметичный контакт установлен в расположенной во внешнем корпусе центрирующей втулке, соединенной с электрогидравлическим предохранительным реле давления.
Прибор снабжен переходником, соединенным с внешним корпусом.
Технический результат от использования всех признаков заявляемого устройства заключается в повышении безопасности во время работы при обеспечении требуемой работоспособности устройства.
Выполнение микропроцессорного прибора инициирования, содержащего внешний корпус с установленным в нем каркасом с закрепленными на нем источником питания, штуцером, с размещенными в нем соосно датчиком давления и демпфером, платой, несущей электронные компоненты и соединенным с внешним корпусом через электрогидравлическое предохранительное реле давления блоком детонации, снабженным контактным блоком, позволяет обеспечить повышенную безопасность при работе устройства.
Наличие в блоке детонации контактного блока, содержащего герметизирующие уплотнительные элементы, позволяет защитить плату, установленную на каркасе во внешнем корпусе, как от случайной разгерметизации инициируемого оборудования (например, перфоратора), так и от продуктов взрыва инициируемого оборудования.
Установленный в линии измерения давления демпфер, защищает датчик давления от ударных волн в скважине, снижая амплитуду и пиковое давление ударных волн, что позволяет датчику давления выдавать неискаженные значения, в противном случае, искаженные значения могли бы привести к аварии (несрабатывание головки, срабатывание в неположенном интервале перфорации и т.д.).
Электрогидравлическое предохранительное реле давления обеспечивает физический разрыв цепи электродетонатора за счет наличия гарантированного воздушного зазора между первым и вторым транзитными герметичными контактами транзитной линии. При продолжении спуска в скважину с увеличением глубины гидростатическое давление будет увеличиваться. При достижении определенного гидростатического давления жидкости (= 1 МПа) в скважине электрогидравлическое реле давления коммутирует между собой первый и второй транзитные герметичные контакты транзитной линии, обеспечивая тем самым электрическую цепь между силовым инициирующим модулем, расположенным на плате, и электродетонатором. Таким образом, электрогидравлическое реле исключает случайный подрыв инициируемого оборудования на поверхности, что увеличивает безопасность работ.
Плата служит для размещения электронных компонентов, прочих датчиков, контроллеров, памяти.
Датчики, расположенные на плате, используются для записи в память устройства и для обеспечения функционала программы устройства.
Память устройства используется для записи, хранения и считывания информации о работе устройства, данных скважины, параметров конкретной работы и т.д.
Силовой инициирующий модуль предназначен для подачи высокочастотного инициирующего импульса на электродетонатор. Силовой модуль запускается контроллерами платы при условии выполнения записанного в память устройства алгоритма на поверхности.
Разъем для обслуживания используется для связи устройства с внешней ЭВМ, а именно для записи данных в плату при подготовке работы на поверхности, а также при считывании данных после подъема устройства после работы в скважине.
Источник питания в виде батарейного отсека предназначен для электрически изолированного размещения батарей.
Корпус предназначен для защиты электронных компонентов от электрического замыкания, от повреждений наружным скважинным давлением.
Каркас устройства предназначен для размещения комплектующих устройство деталей в непосредственной близости друг от друга.
Центрирующая втулка предназначена для центрирования транзитного контакта между каркасом устройства и реле давления.
Реле давления предназначено для замыкания транзитного контакта каркаса при спуске в скважину на глубину с давлением 1 МПа. Предотвращает несанкционированное срабатывание МППИ на поверхности скважины.
Контактный блок используется для герметичного ввода контакта в блок детонации.
Электродетонатор предназначен для инициирования скважинного оборудования (например кумулятивных перфораторов, посадочных камер пакеров, якорей и т.д.). Один конец провода электродетонатора крепится к массе (на внешний корпус), а второй подключается к транзитному герметичному контакту контактного блока.
На фиг. 1 - микропроцессорный прибор инициирования
Сокращения:
НКТ - насосно-компрессорная труба
ГНКТ - гибкая насосно-компрессорная труба
SL - SlickLine («спускаемый на тросе»)
ЭД-ПН - электродетонатор предохранительного типа нечувствительный
Устройство предназначено для осуществления полуавтоматического инициирования перфорационных систем (и другого совместимого оборудования) в нефтегазовых скважинах при спуске на НКТ, на кабеле, на ГНКТ и с использованием SlickLine (далее SL), инициирующая цепь которых начинается с электродетонатора типа ЭД-ПН или аналогичного по чувствительности и по принципу действия.
Микропроцессорный прибор инициирования содержит:
Блок детонации - 1
Контактный блок - 2
Электрогидравлическое предохранительное реле давления - 3
Центрирующую втулку - 4
Каркас - 5
Разъем для обслуживания - 6
Источник питания - 7
Внешний корпус - 8
Силовой инициирующий модуль - 9
Память устройства - 10
Датчик температуры - 11
Датчик давления - 12
Переходник - 13
Плату - 14
Электродетонатор (не входит в состав изделия) - 15
Датчик положения в пространстве с функцией акселерометра - 16
Демпфер - 17
Первый контакт транзитной линии - 18
Второй контакт транзитной линии - 19
Штуцер - 20
Контроллеры - 21
Микропроцессорный прибор инициирования (МППИ) собирается следующим образом:
На каркас устройства 5 при помощи винтов крепится плата 14, а также источник питания 7 в виде батарейного отсека и разъем для обслуживания 6. Также к каркасу 5 прикручивается за счет резьбового соединения штуцер 20 с размещенными в нем соосно датчиком давления 12 и демпфером 17. Собранный каркас 5 соединяется по резьбе с переходником 13. На переходник 13 накручивается внешний корпус 8. Далее к корпусу 8 по резьбе присоединяется электрогидравлическое предохранительное реле давления 3. В электрогидравлическое предохранительное реле давления 3 вставляется до упора контактный блок 2 и по резьбе присоединяется блок детонации 1. После установки электродетонатора 15 в инициируемое оборудование к этому оборудованию присоединяется другая сторона блока детонации 1 по резьбе.
Переходник 13 предназначен для передачи давления скважины на датчик давления 12, а также для обеспечения транспортировки всего устройства в скважину.
Датчик давления 12 предназначен для распознавания значений давления в скважине и передаче их на контроллеры 21, соединенные с платой 14.
Плата 14 служит для размещения электронных компонентов, таких как датчик положения в пространстве с функцией акселерометра 16 и датчик температуры 11, силовой инициирующий модуль 9, память устройства 10, контроллеры 21.
Датчики 11 - расположены на плате 14 и используются для записи в память устройства и для функционала программы устройства.
Память устройства 10 используется для записи, хранения и считывания информации о работе устройства, данных скважины, параметров конкретной работы и т.д.
Силовой инициирующий модуль 9 предназначен для подачи высокочастотного инициирующего импульса на электродетонатор 15. Силовой модуль 9 запускается контроллерами 21 платы 14 при условии выполнения записанного в память 10 устройства алгоритма на поверхности.
Разъем для обслуживания 6 используется для связи устройства с внешней ЭВМ, а именно для записи данных в плату при подготовке работы на поверхности, а также при считывании данных после подъема устройства после работы в скважине.
Источник питания 7 в виде батарейного отсека предназначен для электрически изолированного размещения батарей.
Внешний корпус 8 предназначен для защиты электронных компонентов от электрического замыкания, от повреждений наружным скважинным давлением.
Каркас устройства 5 предназначен для размещения комплектующих устройство деталей в непосредственной близости друг от друга.
Центрирующая втулка 4 предназначена для центрирования транзитного контакта между каркасом устройства 5 и реле давления 3.
Реле давления 3 предназначено для замыкания транзитного контакта каркаса 5 при спуске в скважину на глубину с давлением 1 МПа. Предотвращает несанкционированное срабатывание МППИ на поверхности скважины.
Контактный блок 2 используется для герметичного ввода контакта в блок детонации 1.
Электродетонатор 15 предназначен для инициирования скважинного оборудования (например кумулятивных перфораторов, посадочных камер пакеров, якорей и т.д.). Один конец провода электродетонатора крепится к массе (на внешний корпус), а второй подключается ко второму транзитному герметичному контакту 19 контактного блока 2.
Описание работы с МППИ:
1.1 Перед использованием в плату 14 через разъем для обслуживания 6 загружается программа с нужными параметрами.
1.2 После сборки изделие подсоединяется к перфоратору, взрывная цепь которого начинается с ЭД-ПН. МППИ вместе с перфоратором спускается в скважину любым способом (на НКТ, ГНКТ, на кабеле, на SL) на заданный интервал перфорации.
1.3 При начале спуска в скважину электрогидравлическое реле давления 3 обеспечивает физический разрыв цепи электродетонатора 15 посредством обеспечения гарантированного воздушного зазора между первым 18 и вторым 19 транзитными герметичными контактами транзитной линии. При продолжении спуска в скважину, с увеличением глубины гидростатическое давление будет увеличиваться. При достижении определенного гидростатического давления жидкости (= 1 МПа) в скважине электрогидравлическое реле давления 3 коммутирует между собой первый 18 и второй 19 транзитные герметичные контакты транзитной линии, обеспечивая тем самым электрическую цепь между инициирующим силовым инициирующим модулем 9 и электродетонатором 15.
1.4 На протяжении всего спуска устройство записывает в память параметры скважины (давления, температуры, ускорения и др.).
1.5 МППИ с инициируемым оборудованием доставляются в требуемый интервал скважины по глубине.
1.6 На устье (на поверхности) скважины насосом в скважину подаются импульсы давления амплитудой и продолжительностью соответствующими параметрам, заданным в прошивке программы (см. п.п 1.1).
1.7 МППИ распознает импульсы давления с помощью датчика давления 12 и подает инициирующий импульс на электродетонатор 15. Происходит срабатывание перфоратора. При срабатывании перфоратора от него исходит мощная взрывная волна. Для того чтобы взрывная волна не повредила датчик давления 12 между ним и пространством скважины расположен демпфер 20 с узким винтовым каналом. Взрывная волна проходя по каналу демпфера ослабевает и не причиняет датчику давления повреждений, позволяя использовать его повторно. Это удешевляет стоимость работ.
1.8 Также необходима защита и остальным компонентам МППИ от факторов взрыва (гидроудар, осколки, ударная волна). Роль этой защиты выполняет Блок детонации 1 который имеет узкое осевое отверстие по центру, проходя через которое факторы взрыва значительно ослабевают и большая часть осколков остаются в перфораторе. Контактный блок 2 позволяет сохранить герметичность прибора МППИ и после срабатывания перфоратора, делая прибор многоразовым, что важно для экономии.
1.9 При срабатывании перфоратора МППИ записывает параметры скважины (давление и т.п.) с увеличенной частотой. Это позволяет регистрировать быстропротекающие процессы, такие как резкие скачки давления, температуры, ускорения.
Датчик 11 положения в пространстве с функцией акселерометра, позволяет производить отмену инициирования путем подергивания или перемещения сборки по стволу скважины (для безопасности).
Предлагаемое устройство испытано и показало высокую работоспособность устройства и высокую безопасность при работе.
Микропроцессорный прибор инициирования может быть изготовлен с использованием известных компонентов, - датчиков, контроллеров и т.п. Корпусные детали устройства могут быть изготовлены на современном оборудовании с использованием новейших материалов и технологий.
Микропроцессорный прибор инициирования может быть использован при проведении прострелочно-взрывных работ в различных скважинах и, в частности, нефтяных или газовых скважинах различного типа - вертикальных, наклонных и горизонтальных.