BOREHOLE FORMATION TREATMENT DEVICE
Устройство для обработки прискважинной зоны пласта

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к области импульсных технологий интенсификации нефтедобычи и конструкциям устройств для их реализации.
В последнее время широко применяются устройства, обеспечивающие образование импульса давления с высокой скоростью нагружения пород с образованием в прискважинной и удаленной зоне пласта многочисленных протяженных и разветвленных трещин, не смыкающихся после снятия нагрузки. В данном случае газогенератор включает сборку зарядов, средства воспламенения зарядов (детонирующий шнур для первой группы зарядов и огнепроводный шнур для второй группы зарядов), а также грузонесущий кабель для доставки газогенератора в скважину и узел крепления газогенератора к грузонесущему кабелю. Сборка включает первую группу зарядов с объемом и динамикой газовыделения при горении, обеспечивающую создание импульса давления в скважине величиной, превышающей горное давление при высокой скорости нарастания импульса давления. Вторая группа зарядов с меньшей динамикой и большим объемом газовыделения (по сравнению с зарядами первой группы), обеспечивает создание вторичного фронта давления величиной не менее 0,7 величины первого импульса давления в течение времени, превышающем время действия первого импульса давления в 3-15 раз (аналог - Патент РФ №2242600, МПК E21B 43/263 (2000.01), 2004 г.).
Недостатком данного устройства является высокая вероятность смещения зарядов второй (верхней) группы друг относительно друга и относительно грузонесущего кабеля после срабатывания первой (нижней) группы зарядов, так как обе группы зарядов фиксируются на кабеле (тросе) одним устройством, расположенным в нижней части сборки и при сгорании нижних зарядов верхние лишаются опоры. Высока вероятность повреждения деталей генератора вплоть до обрыва несущего троса (косы), на котором закрепляется вся сборка генератора, так как в момент срабатывания генератора упомянутый трос находится под непосредственным влиянием высокотемпературных продуктов сгорания пороховых зарядов, а после резко охлаждается скважинной жидкостью, что приводит к дополнительной закалке стальной брони троса, которая делается хрупкой, ломается при изгибах и, в свою очередь, приводит к обрыву косы и оставлению деталей генератора в скважине, что нежелательно, а в большинстве случаев - недопустимо. Конструкцией газогенераторов не предусмотрена оптимальная временная задержка между срабатыванием первой группы зарядов и началом работы второй группы зарядов. Из-за чего в трещины, образовавшиеся после работы первой группы зарядов, не успевают попадать осыпающиеся кусочки породы. В результате расширяющиеся трещины после работы второй группы зарядов частично схлопываются обратно.
Известен газогенератор для дегазации угольного пласта, включающий бронированные и небронированные трубчатые заряды из твердого топлива, размещенные на геофизическом кабеле, устройство воспламенения детонационного действия, содержащее взрывной патрон и детонирующий шнур, отличающийся тем, что устройство воспламенения детонационного действия размещено в каналах второго снизу и вышерасположенных бронированных зарядов, а в канале нижнего бронированного заряда установлено устройство воспламенения огневого действия в виде электровоспламенителя, соединенного последовательно с взрывным патроном на заданном от него расстоянии, при этом нижний торец газогенератора герметично закрыт заглушкой, причем кабель имеет несгораемое покрытие, обеспечивающее защиту его от термического воздействия продуктов горения зарядов (аналог - патент RU 2401385, МПК E21F 7/00 (2006.01), E21B 43/263 (2006.01) от 2010 г.)
В конструкции газогенераторов не предусмотрена фиксация (центрирование) зарядов друг относительно друга, вследствие чего передача горения от заряда к заряду происходит неравномерно, из-за чего требуемая величина давления второй группы зарядов не всегда достигается. Также недостатком отсутствия фиксации является повреждение зарядов во время спуска, т.к. смещенные заряды зацепляются выступающими частями за муфты обсадных колонн при спуске, и, поскольку поврежденный заряд не может отработать согласно своим параметрам, то работа газогенератора в целом нарушается и эффективность снижается. Конструкцией газогенераторов не предусмотрена оптимальная временная задержка между срабатыванием первой группы зарядов и началом работы второй группы зарядов. Из-за чего в трещины, образовавшиеся после работы первой группы зарядов, не успевают попадать осыпающиеся кусочки породы. В результате расширяющиеся трещины после работы второй группы зарядов частично схлопываются обратно.
Известно устройство для обработки прискважинной зоны пласта, включающее сборку зарядов и средство воспламенения зарядов, закрепленные на тросе, геофизический кабель для спуска устройства в скважину, при этом сборка зарядов содержит первую группу зарядов с объемом и динамикой газовыделения при горении, обеспечивающими создание импульса давления в скважине величиной, превышающей горное давление, и вторую группу зарядов с меньшей динамикой и большим объемом газовыделения в сравнении с зарядами первой группы, обеспечивающими создание вторичного фронта давления, импульс которого превышает время действия первого импульса давления, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и эффективности обработки прискважинной зоны пласта и безопасности обращения с устройством, вторая (верхняя) группа зарядов имеет отдельный фиксатор, исключающий перемещение зарядов после срабатывания зарядов первой (нижней) группы (аналог - RU 172681, МПК E21B 43/248 (2006.01), 2016 г.).
Недостатком данного решения является недостаточная защита жилы косы и детонирующего шнура, что может привести к отказу в работе газогенератора. Не решена проблема прихвата геофизического кабеля - подбрасывание геофизического кабеля вверх под действием силы выделяющихся газов газогенератора и запутывание геофизического кабеля в узлы и его застревание в скважине. Кроме того, недостатком является не оптимальная временная задержка между срабатыванием первой группы зарядов и началом работы второй группы зарядов, связанная с тем, что этот промежуток обеспечивается только за счет выполнения отверстий фиксаторе. Из-за чего в трещины, образовавшиеся после работы первой группы зарядов не успевают заполнятся осыпающимися кусочками породы. В результате расширяющиеся трещины при работе второй группы зарядов частично схлопываются обратно.
Известно устройство для обработки прискважинной зоны пласта, включающее сборку зарядов и средство воспламенения зарядов, закрепленные на тросе (косе) и геофизический кабель для спуска устройства в скважину. Сборка зарядов содержит первую группу зарядов с объемом и динамикой газовыделения при горении, обеспечивающими создание импульса давления в скважине величиной, превышающей горное давление, и вторую группу зарядов с меньшей динамикой и большим объемом газовыделения в сравнении с зарядами первой группы, обеспечивающими создание вторичного фронта давления, импульс которого превышает время действия первого импульса давления. Трос (коса), на котором крепятся заряды и детали генератора, имеет защитное покрытие из материала с низкой теплопроводностью, а головка, расположенная в верхней части сборки, имеет разгрузочные пазы (см. патент RU 174107, МПК E21B 43/263 (2006.01), E21B 23/08 (2006.01), 2017 г.). Данное решение принято за прототип.
В конструкции устройства не предусмотрена фиксация (центрирование) зарядов друг относительно друга, вследствие чего передача горения от заряда к заряду происходит неравномерно, из-за чего требуемая величина давления второй группы зарядов не всегда достигается. Также недостатком отсутствия фиксации и, как следствие, смещения зарядов является повреждение зарядов во время спуска, т.к. смещенные заряды зацепляются выступающими частями за муфты обсадных колонн при спуске. Поскольку поврежденный заряд не может отработать согласно своим параметрам, работа газогенератора в целом нарушается и эффективность снижается. Не решена проблема защиты от перебития во время взрыва зарядов изогнутой части троса, проходящего через наконечник. Вследствие такого перебития все заряды которые держатся на косе сваливаются с нее на забой скважины и работа газогенератора оказывается бесполезной. Не обеспечена оптимальная доза подвода продуктов горения к второй группе зарядов, что не обеспечивает необходимый временной интервал между срабатыванием групп зарядов.
Техническая проблема, решаемая изобретением, - повышение надежности и эффективности обработки прискважинной зоны пласта.
Техническая проблема решается за счет того, что в известном устройстве для обработки прискважинной зоны пласта, содержащем сборку зарядов, закрепленную на косе и состоящую из последовательно расположенных головки, двух групп зарядов, трубы с наконечником, включающую средство воспламенения зарядов и снабженную отверстиями для выхода продуктов сгорания зарядов, в которой коса имеет защитное покрытие из материала с низкой теплопроводностью, первая группа включает активные заряды с объемом и динамикой газовыделения при горении, обеспечивающими создание импульса давления в скважине величиной, превышающей горное давление, а вторая группа состоит из основных зарядов с меньшей динамикой и большим объемом газовыделения в сравнении с зарядами первой группы, обеспечивающими создание вторичного фронта давления, импульс которого превышает время действия первого импульса давления, в соответствии с изобретением, сборка зарядов снабжена разрезными центрирующими втулками, расположенными между зарядами в центральном осевом отверстии, центратором, удерживающим вторую группу зарядов на расстоянии δ от первой, и переходником с выполненными в нем отверстиями для выхода продуктов сгорания зарядов, установленным между головкой и второй группой основных зарядов, а наконечник снабжен крышкой и вторым отверстием, смещенным от оси симметрии и принимающим жилу косы.
Расстояние между группами зарядов δ определяется по формуле:
δ=К*S1/S2, где
К - опытный коэффициент ;
S1 - контактная торцевая площадь первой группы (активных) зарядов
S2 - максимальная торцевая контактная площадь второй группы (основных) зарядов.
Верхняя часть переходника выполнена конусообразной.
Коса закреплена в наконечнике тремя винтами фиксации.
Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в повышении надежности и эффективности работы устройства, обеспечении получения в породе большого количества трещин требуемого размера.
Выполнение устройства, в котором сборка зарядов снабжена разрезными центрирующими втулками, расположенными между зарядами в центральном осевом отверстии, центратором, удерживающим вторую группу зарядов на расстоянии δ от первой, и переходником с выполненными в нем отверстиями для выхода продуктов сгорания зарядов, установленным между головкой и второй группой основных зарядов, а наконечник снабжен крышкой и вторым отверстием, смещенным от оси симметрии и принимающим жилу косы, позволяет обеспечить повышение надежности и эффективности работы устройства.
Наличие разрезных центрирующих втулок позволяет не только сохранить целостность групп зарядов при транспортировке устройства к месту активации, но и увеличить равномерность их работы, что повышает эффективность создания импульса давления. Так как площадь соприкосновения зарядов друг с другом увеличивается, то и эффективность передачи горения от заряда к заряду возрастает. За счет упругости стенок разрезных центрирующих втулок обеспечивается также возможность монтажа групп зарядов и фиксация групп зарядов между собой.
Наличие центратора, который обеспечивает расположение двух групп зарядов (активных и основных) на расстоянии δ друг от друга, позволяет создать необходимый временной интервал между срабатыванием активных и основных зарядов и доставить оптимальную дозу продуктов горения активных зарядов к основным зарядам, что повышает надежность и эффективность работы устройства. Благодаря этому временному интервалу в трещинах появляются осыпающиеся кусочки породы, которые проталкиваются газами, выделяющимися от работы зарядов и удерживают трещины в раскрытом состоянии этими кусочками породы и не дают закрываться обратно.
Выполнение переходника с отверстиями для выхода продуктов сгорания зарядов, обеспечивает направленный выход продуктов сгорания зарядов, благодаря чему у всей сборки зарядов появляется тянущая вниз сила. Это позволяет предотвратить прихват (скручивание и перегиб) геофизического кабеля, на котором спускают устройство, что обеспечивает повышение надежности работы устройства и снижение аварийности.
Крышка, закрывающая снизу наконечник, исключает повреждение косы, несущей сборку, и жилы косы, проходящей к электродетонатору, при транспортировке устройства и срабатывании зарядов.
Выполнение наконечника со вторым отверстием, смещенным от оси симметрии и принимающим жилу косы, исключает повреждение жилы косы, передающей электрический импульс на электродетонатор, при транспортировке и срабатывании зарядов.
На фиг. 1 - общий вид устройства;
Фиг. 2 - вид А фиг. 1 (увеличенное изображение наконечника, показано смещенное от оси симметрии отверстие для жилы);
Фиг. 3 - сечение А-А фиг 1;
Фиг. 4 - вид Б фиг 1;
Фиг. 5 - центрирующая втулка;
Фиг. 6 - центратор.
Для транспортировки устройства к месту активации в скважине к нему присоединяют кабельную головку 1 и кабель геофизический 2.
Устройство для обработки прискважинной зоны пласта содержит сборку зарядов, состоящую из следующих элементов:
Головка,
Коса,
Винт зажимной,
Переходник,
Основные заряды (вторая группа зарядов),
Разрезные центрирующие втулки,
Центратор,
Активные заряды (первая группа зарядов),
Центратор нижний,
Детонирующий шнур,
Труба,
Электродетонатор,
Наконечник,
Крышка наконечника,
Жила косы.
Все элементы, входящие в сборку зарядов закреплены на косе 5, наружная броня которой является композитной - смешана с полимером, обладающим низкой теплопроводностью.
Сборка зарядов состоит из последовательно расположенных головки 4, переходника 7, двух групп зарядов 8, 11, трубы 14 с наконечником 16 (см. фиг. 1). Головка 4 соединена с кабельной головкой 1, во внутреннем отверстии которой коса 5 с помощью фиксирующей ленты 3 скреплена с геофическим кабелем 2. Вся сборка нанизывается на косу 5 и удерживается благодаря фиксации наконечника 16 и головки 4 на косе 5 с помощью винтов зажимных 6. Таким образом, сборка остается жесткой и заряды 11 и 8 не перемещаются по косе 5 во время спуска устройства в скважину (см. фиг. 1).
Первая группа 11 включает активные заряды с объемом и динамикой газовыделения при горении, обеспечивающими создание импульса давления в скважине величиной, превышающей горное давление. Вторая группа 8 состоит из основных зарядов с меньшей динамикой и большим объемом газовыделения в сравнении с зарядами первой группы, обеспечивающими создание вторичного фронта давления, импульс которого превышает время действия первого импульса давления. Количество зарядов в каждой группе может варьироваться (в среднем 10-15 зарядов).
В центральном осевом отверстии 19 между зарядами в каждой из групп, а также между первой 11 и второй 8 группами зарядов установлены разрезные центрирующие втулки 9 (см. фиг. 1, 3, 5), центрирующие между собой заряды в группах и заряды групп 8 и 11 относительно друг друга. Разрезные центрирующие втулки 9 выполнены упругими и могут быть изготовлены из пластика или коррозионностойких алюминиевых сплавов. Разрезные центрирующие втулки 9, которые центрируют заряды друг относительно друга, позволяют увеличивать равномерность работы зарядов и повышать эффективность создания импульса давления. Так как площадь соприкосновения зарядов друг с другом в каждой из групп, а также зарядов групп между собой увеличивается, то и эффективность передачи горения от заряда к заряду и от зарядов первой группы 11 к зарядам второй группы 8 возрастает. Кроме того, наличие разрезных центрирующих втулок 9 обеспечивает сохранение целостности зарядов во время спуска, поскольку не позволяют смещаться зарядам относительно друг друга, что повышает надежность устройства.
Между первой 11 и второй 8 группами зарядов расположен центратор 10, удерживающий вторую группу 8 зарядов на расстоянии δ от первой группы 11 (см. фиг. 4, 6).
Экспериментально установлено, что оптимальное расстояние δ между активными 11 и основными 8 зарядами подчиняется следующей зависимости:
δ=K*S1/S2,
Где К - опытный коэффициент, равен 1,2≤К≤5. Величина коэффициента зависит от мощности и количества зарядов.
S1 - контактная торцевая площадь первой группы 11 активных зарядов
S2 - максимальная торцевая контактная площадь второй группы 8 основных зарядов.
Между основными зарядами в группе 8 и между активными зарядами в группе 11 нет центраторов и зазоров. Плотная посадка и центрирование зарядов в группах обеспечивается посредством разрезных центрирующих втулок 9. Втулки 9 так же устанавливаются между группами зарядов 8 и 11.
Между головкой 4 и второй группой 8 основных зарядов установлен переходник 7, жестко соединенный с головкой 4. Нижняя часть 20 переходника 7 входит в осевое отверстие 19 второй группы 8 основных зарядов и за счет плотной посадки удерживает ее (см. фиг. 1). Верхняя часть переходника 7 имеет конусообразную форму, а диаметр нижней части соответствует размеру основных зарядов второй группы 8. За счет выполнения верхней части переходника 7 конусообразной, появляется возможность соединения с одной и той же унифицированной головкой 4 зарядов группы 8, которые могут иметь разный диаметр в зависимости от требуемых условий. Конусообразная форма переходника при этом способствует беспрепятственному прохождению зарядов по скважине, что улучшает надежность устройства.
В переходнике 7 выполнены отверстия 21 (см. фиг. 1) для выхода продуктов сгорания зарядов, благодаря чему у всей сборки зарядов во время срабатывания устройства появляется тянущая вниз сила. За счет округлой формы отверстий 21 улучшается аэродинамика выхода газов, что еще больше уменьшает величину осевой силы, направленной вверх и воздействующей на головку 4. За счет эффекта сопла (истечение газов из отверстий 21 приводит к увеличению скорости газов), возникает реактивная сила, направленная вниз, способствующая распрямлению геофизического кабеля 2. Что приводит к повышению надежности и снижению аварийности при использовании устройства.
Ниже активных зарядов 11 расположена труба 14, в которой размещается средство воспламенения зарядов, выполненное в виде электродетонатора 15, соединенного с жилой 18 косы 5. От электродетонатора 15 к первой группе 11 активных зарядов проложен детонирующий шнур 13, обеспечивающий возгорание активных зарядов. Детонирующий шнур 13 фиксируется на косе 5 с помощью фиксирующей ленты 3.
Наконечник 16 имеет два отверстия. Одно отверстие 19 - осевое, предназначено для силового зажима косы 5, на которой держится вся сборка, тремя винтами фиксации 6, обеспечивая надежное удержание косы.
Второе отверстие 22, выполненное в наконечнике 16, смещено от оси симметрии 23, проходит параллельно оси симметрии и предназначено для выведения жилы 18 косы 5 внутрь трубы 14. Жила 18 косы 5 подключена к электродетонатору 15.
Для большей надежности наконечник 16 снизу закрыт крышкой 17, что исключает повреждение жилы 18 косы 5. Такое размещение фиксации косы 5 и обеспечения прохождения ее жилы повышает надежность инициирования, исключая повреждение самой косы и жилы 18 косы 5 в процессе спуска в скважину.
Устройство для обработки прискважинной зоны пласта работает следующим образом:
От взрывной машинки по геофизическому кабелю 2 подают электрический импульс, который передается на электродетонатор 15 через косу 5 и жилу 18 косы. При срабатывании электродетонатора 15 детонирует шнур 13.
От продуктов детонации детонирующего шнура 13 воспламеняются и сгорают в объемном режиме активные заряды первой группы 11, которые газовыделением при горении создают импульс давления, превышающий по значению горное давление. Благодаря этому в призабойной зоне пласта формируются трещины.
Продукты сгорания активных зарядов первой группы 11 поджигают основные заряды второй группы 8, которые сгорают в послойном режиме, с меньшей, по сравнению с активными зарядами первой группы 11, скоростью, и большим объемом газовыделения, создавая вторичный фронт давления. Это приводит к тому, что сформировавшиеся трещины удлиняются.
Активные заряды первой группы 11 и основные заряды второй группы 8 отделены друг от друга центратором 10 на расстояние δ. Центратор 10 предназначен для того, чтобы обеспечить оптимальную дозу подвода продуктов горения к основным зарядам и создать необходимый временной интервал между срабатыванием первой группы 11 активных и второй группы 8 основных зарядов. Благодаря этому временному интервалу в трещинах появляются осыпающиеся кусочки породы, которые проталкиваются газами, выделяющимися от работы основных зарядов, таким образом трещины удерживаются в раскрытом состоянии этими кусочками породы и не закрываются.
При этом коса 5 имеет наружный слой брони, смешанный с полимером (например, фторопласт-4), благодаря чему коса 5 сохраняет свою прочность при взрывном воздействии детонирующего шнура 13.
Заявляемое устройство для обработки прискважинной зоны пласта обеспечивает повышение надежности и эффективности обработки прискважинной зоны пласта.
Заявленное устройство для обработки прискважинной зоны пласта может быть изготовлено с использование существующих материалов на современном технологическом оборудовании.
Устройство может быть использовано в области газо- и нефтедобычи.