СПОСОБ И ПОСАДОЧНЫЙ ИНСТРУМЕНТ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ ПОСАДКИ СКВАЖИННОГО ИНСТРУМЕНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВУХЭТАПНОГО ВЗРЫВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
METHOD AND SETTING TOOL INTENDED FOR SETTING A DOWNHOLE TOOL USING TWO-STAGE EXPLOSIVE IMPACT

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для установки спускаемых на геофизическом кабеле, насосно-компрессорных трубах (НКТ) или гибкой насосно-компрессорной трубе (ГНКТ) скважинных инструментов при проведении различных технологических операций.
В процессе опробования и эксплуатации нефтегазовых скважин широко используются скважинные инструменты, место установки которых в скважине не всегда заранее может быть определено. К таким инструментам относятся, например, мостовые пробки, пакеры, заплаты и подобные им.
Закрепление скважинного инструмента в стволе скважины может осуществляться за счет сил трения между эластичным материалом и стенками обсадных труб, например, в конусном пакере эластичный элемент выполняет роль подушки (патент РФ №2137902), в цилиндрическом -трансформирует усилие сжатия и в раздувающемся - передает на стенки скважины давление заполняющей среды (патент РФ №2128279).
Указанные устройства представляют собой сложные металлические конструкции, трудоемкие в изготовлении и установке их в скважине.
Известны способы перекрытия ствола скважины твердым телом с использованием упругости обсадных труб. Закрепление устройства в скважине обеспечивается необратимой деформацией твердого тела в месте перекрытия скважины, которая может происходить под действием энергии взрыва (например, патент РФ 107545).
Устройства подобного типа могут спускаться в скважину на кабеле или на трубах.
К недостатком подобных устройств следует отнести то, что они могут использоваться только один раз, и по мере утраты необходимости нахождения их в скважине создаются дополнительные трудности по их извлечению на поверхность.
Другим недостатком является то, что пакерующий элемент прижимается к стенкам скважины за счет деформации металла, который всегда имеет упругие остаточные деформации, и в результате этого при снятии нагрузки с металла сила прижатия упругого материала к стенкам скважин ослабевает, что приводит к нарушению герметичности пакеровки. Кроме того, при длительной нагрузке упругость резины теряется, сила прижатия к стенкам скважины снижается и герметичность пакеровки нарушается.
Известны способы и устройства фиксации скважинных инструментов внутри скважины, основанные на зацеплении инструмента с обсадной трубой. Например, описанные в патенте РФ №2679197. Упомянутый скважинный инструмент имеет оправку, клин, шлипсовый блок плашек и предустановленный механизм. Клин расположен около оправки и функционирует с возможностью скольжения относительно оправки. Клин может скользить между неустановленным положением и установленным положением. Шлипсовый блок плашек связан с клином таким образом, что когда шлипсовый клин находится в неустановленном положении, шлипсовый блок плашек находится в радиальном положении внутри и не входит в зацепление с обсадной трубой, а когда шлипсовый клин находится в установленном положении, шлипсовый блок плашек находится в радиальном положении снаружи и входит в зацепление с обсадной трубой.
К недостаткам описанных скважинного инструмента и способа можно отнести то, что плашки шлипсового блока имеют разрывную обойму, выполненную из чугунного сплава, и часть плашек охрупчиваются при соприкосновении с обсадной трубой, и площать зацепления уменьшается, что приводит к уменьшению сцепных свойств инструмента с обсадной трубой.
Для обеспечения нагрузки, необходимой для зацепления скважинного инструмента с обсадной трубой, может быть использован посадочный инструмент.
Известны взрывные пакеры шлипсовые (ВПШ) с посадочной камерой (https://perfoterm.ru/packer_type_vpsh_explosive_packer_shlipsovy), в которых используется пороховой заряд с пиропатроном.
Однако использование пороховых зарядов приводит к необходимости их хранения на складах взрывчатых материалов, а также к сложности конструкции и к малому ресурсу камеры из-за резкого удара большой силы.
Известен способ установки скважинного инструмента и применяемый для его реализации установочный инструмент с зарядом с низкой скоростью горения, предназначенные для установки мостовых пробок, пакеров, заплат и тому подобное в обсадных трубах в скважинах (например, описанные на сайте АО ВНИПИвзрывгеофизика по ссылке: http://www.vnipivg.ru/flles/news/News16.09.19.pdf).
К недостаткам известных способа и устройства следует отнести неполное сгорание заряда, что связано с невысоким давлением внутри камеры, и, следовательно, посадочный инструмент не выходит на заданную тяговую нагрузку, а так же снижается его ресурс за счет длительного воздействия повышенных давлений.
Проблема, на решение которой, направлено заявляемое изобретение, заключается в создании способа и многоразового посадочного инструмента, обеспечивающих надежное зацепление скважинного инструмента с обсадной трубой.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении прочности зацепления скважинного инструмента с обсадной трубой и в снижении износа механических деталей посадочного инструмента.
Технический результат достигается тем, что в способе посадки скважинного инструмента с использованием взрывного посадочного инструмента, включающем зацепление скважинного инструмента за стенки обсадной трубы, нагружение скважинного инструмена за один рабочий цикл осуществляют в два этапа, на первом этапе осуществляют нагружение скважинного инструмента за счет взрывного горения верхней шашки заряда, размещенной внутри взрывного посадочного инструмента, при котором необходимая для воздействия величина давления газов достигается за период времени, не превышающий 1,5 секунды, на втором этапе осуществляют нагружение, при котором необходимую для воздействия величину давления обеспечивают за счет послойного горения, нижней шашки заряда, также размещенной внутри взрывного посадочного инструмента.
Горение верхней шашки инициируют за счет детонации взрывного патрона.
Распространение горения нижней шашки происходит с постоянной скоростью.
Технический результат достигается также тем, что в взрывном посадочном инструменте двухэтапного воздействия, содержащем цилиндрический корпус, разделенный перегородкой на две части, с концентрично установленным в нем штоком с уплотнительными элементами и силовым зарядом, силовой заряд состоит из двух шашек: верхней шашки, обеспечивающей взрывное горение, и снабженной продольным осевым каналом для установки взрывного патрона, и нижней шашки, обеспечивающей послойное горение, которые соединены при помощи термостойкой бандажной ленты, расположенной на наружной поверхности заряда.
Заявляемое устройство позволяет за один рабочий цикл совершить двойное нагружение скважинного инструмента.
Первое нагружение за счет взрывного горения верхней части шашки заряда приводит к повышению надежности (прочности) зацепления скважинного инструмента с обсадной трубой, так как сильный удар позволяет шлипсам (плашкам) инструмента быстро пройти через более твердый внешний слой обсадной трубы. При этом резкое кратковременное воздействие имеет меньшую силу, чем в случае описанного выше взрывного шлипсового пакера, что снижает динамическую нагрузку на механические детали устройства по сравнению с известными устройствами, соответственно увеличивается ресурс устройства. При мгновенном (краткосрочном) нагружения элементы конструкции посадочного инструмента не успевают пластически деформироваться.
Взрывное горение верхней шашки обеспечивается за счет детонации взрывного патрона, который практически мгновенно поднимает давление в камере посадочного инструмента, что усиливает горение шашки.
В результате быстрого прохождения более прочного внешнего слоя обсадной трубы увеличивается время, в течение которого происходит внедрение шлипсов (плашек) в стенку трубы, что приводит к повышению прочности зацепления.
При постоянной низкой скорости горения нижней шашки происходит сжатие резинотехнических уплотнений, которые присутствуют в конструкции скважинного инструмента. При этом достигается более качественное уплотнение, т.к. при быстром нагружении резина не успевает деформироваться (заполнить все неровности обсадной трубы).
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 изображен продольный разрез посадочного инструмента с пакер-пробкой.
На фиг. 2 представлена конструкция силового заряда.
Посадочный инструмент включает корпус 1 с концентрично установленным в нем штоком 2 с уплотнительными элементами 3, который образует поршневую систему данного устройства. На штоке 2 установлена головка 4 с уплотнительными элементами 5 и токовводом 6. В нижней части штока 2 установлен наконечник 7 с уплотнительными элементами 8, в котором предусмотренно глухое резьбовое отверстие для присоединения тягового устройства 9, через которое происходит передача осевого усилия на скважинный инструмент. В верхней герметичной полости устройства установлен силовой заряд 10 со взрывным патроном 11. Конструкция спускается в скважину на геофизическом кабеле, насосно-компрессорной трубе (НКТ) или гибкой насосно-компрессорной трубе (ГНКТ), которые соединяются через соответствующую головку 4 с указанными средствами доставки устройства на место работы.
Силовой заряд 10 (фиг. 2) состоит из двух шашек: верхней шашки 12 с продольным осевым каналом 13 для установки взрывного патрона 11 и нижней шашки 14, которые соединены при помощи специальной термостойкой бандажной ленты 15, расположенной на наружной поверхности заряда 10.
Верхняя шашка 12 выполнена из материала, обеспечивающего взрывное горение, сопровождающееся крайне быстрым выделением большого количества энергии, вызывающим нагрев продуктов сгорания до высоких температур, и резкое повышение давления.
-1
3
Нижняя шашка 14 выполнена из материала, обеспечивающего послойное горение, распространяющееся с постоянной скоростью (10-10 см/с), неизменным профилем температуры и концентрации. Механизм передачи энергии и распространения процесса определяется молекулярной теплопроводностью: образующиеся нагретые до высоких температур газы в результате горения узкого слоя вещества, нагревают следующий слой и процесс передается от слоя к слою.
Способ с использованием заявляемого посадочного инструмента может быть реализован следующим образом.
Далее работа посадочного инструмента будет рассмотрена на примере установки в скважине пакер-пробки.
При спуске предлагаемого посадочного инструмента с пакер-пробкой в скважину на заданную глубину по кабелю подают импульс электрического тока, от которого происходит детонация взрывного патрона 11, установленного в верхней части силового заряда 10 с последующим разрушением верхней шашки 12 и взрывным горением данной шашки заряда. За счет этого воздействия за короткий промежуток времени происходит выделение большого количества газов, которые проходят через радиальные отверстия в штоке 2 инструмента и воздействуют на уплотнительные элементы 3, установленные на штоке 2, которые в свою очередь перемещают шток 2 инструмента. За счет этого воздействия происходит быстрое перемещение элементов инструмента, которое передается на скважинный инструмент (пакер-пробку) через тяговое устройство 9. За счет быстрого нагружения происходит более качественное и надежное соединение скважинного инструмента со стенкой обсадной трубы. Данное первоначальное воздействие нужно, так как все обсадные трубы бесшовные, и при технологии их изготовления получается тонкая корка упрочненного металла на внутренней поверхности трубы, и нужен хороший первоначальный импульс, чтобы пройти ее и закрепиться в теле трубы. Величина давления, необходимого для нагружения инструмента, обеспечивающего проникновение шлипсов (плашек) инструмента через наружный слой внутренней поверхности трубы, рассчитывается или определяется экспериментально для каждого типа трубы.
Время горения верхней шашки обусловлено ее конструкцией (основные показатели это плотность шашки и ее масса). Экспериментально было установлено, что максимальное значение времени горения верхней шашки, превышение которого приведет к снижению эффективности способа и посадочного инструмента, составляет 1,5 сек.
На втором этапе работы инструмента происходит медленное нагружение штока 2 за счет воспламенения нижней шашки 14 силового заряда 10 от продуктов горения верхней шашки 12 силового заряда 10 и дальнейшее ее послойное горение, которое имеет значительно меньшую скорость горения по сравнению с объемным, при котором так же происходит выделение избыточных газов, которые нагружают шток 2 инструмента, и при котором происходит плавная доводка скважинного инструмента, которая нужна для сжатия резиновых уплотнений скважинного инструмента.
За счет воздействия от взрывного горения происходит быстрое перемещение элементов скважинного инструмента (пакер-пробки), которые воздействуют на конусные плашки. В плашках пробки установлен высокопрочный материал, который превышает прочность обсадной колонны. За счет быстрого радиального нагружения происходит проникновение плашек в тело обсадной трубы. На втором этапе работы инструмента, когда происходит медленное нагружение штока за счет воспламенения нижней шашки и ее послойного горения, происходит сжатие резиновой манжеты пакер-пробки с одновременным плавным радиальным перемещением плашек инструмента. Далее при определенном максимальном усилии происходит срез штифтов и отсоединение пробки от инструмента. При свободном дальнейшем перемещении штока происходит сброс давления во внутреннюю полость обсадной колонны.