БЕСПРОВОДНОЕ ИНИЦИИРОВАНИЕ СКВАЖИННОГО ПЕРФОРАТОРА
WIRELESS INITIATION OF GUN PERFORATOR

Область техники
Настоящее раскрытие относится к области добычи нефти и газа. В частности, настоящее раскрытие относится к способу инициирования детонационной перфорации с использованием беспроводной передачи.
Уровень техники
Перфорационные системы используются, среди прочего, для создания в пробуриваемых в земных породах скважинах каналов гидравлической связи, называемых перфорационными отверстиями, с тем, чтобы требуемые зоны земных пород могли быть гидравлически соединены со скважиной. Перфорационные отверстия необходимы потому, что скважины обычно заканчиваются установкой в скважину коаксиальной обсадной трубы или колонны, и обсадная колонна закрепляется в скважине закачиванием цемента в кольцевое пространство между скважиной и обсадной колонной.
Зацементированная обсадная колонна устанавливается в скважине специально для гидроизоляции друг от друга различных земных пород, сквозь которые проходит скважина. Известно, что внутри этих пород существуют нефтегазоносные пласты, например, продуктивные пластовые резервуары. Скважины обычно пересекают эти продуктивные резервуары.
Перфорационные системы используются для простреливания цемента и обсадной колонны в окружающую подземную породу. Эти системы обычно включают один или более стреляющих перфораторов, соединенных гирляндой, причем эти гирлянды перфораторов могут иногда обеспечивать перфорацию на длине более тысячи футов. Стреляющие перфораторы включают кумулятивные заряды, содержащие корпус заряда, прокладку и некоторое количество бризантного взрывчатого вещества, помещенного между прокладкой и корпусом заряда. При детонации взрывчатого вещества, сила детонации разрушает прокладку и выбрасывает ее с одного конца заряда с очень высокой скоростью, в виде так называемой "струи". Струя пронизывает обсадную колонну, цемент и толщу породы, образуя в породе перфорационное отверстие, обеспечивающее проход для текучей среды между скважиной и окружающей ее породой.
На фиг.1 представлен вид с частным разрезом перфорационной системы 5, включающей перфорирующую гирлянду 7, подвешенную в скважине 25. Перфорирующая гирлянда 7 включает последовательность скважинных (стреляющих) перфораторов 13, соединенных друг с другом вдоль оси соединительными переходниками 15. Насосно-компрессорная труба 9 показана прикрепленной к перфорирующей гирлянде 7 и представляет собой средство подъема/спуска стреляющих перфораторов 13. Насосно-компрессорная труба 9 также может обеспечивать связь между перфорирующей гирляндой 7 и расположенной на поверхности грузовой платформой 11. В некоторых случаях вместо насосно-компрессорной трубы 9 используется проводная линия. Находящаяся на поверхности грузовая платформа 11 обычно включает устройство типа лебедки для установки в скважине и извлечения из нее перфорирующей гирлянды 7 или другого оборудования. На грузовой платформе 11 также имеются средства взаимодействия, позволяющие наземному персоналу передавать команды на перфорирующую гирлянду 7 и получать от нее данные. Обмен данными между поверхностью и гирляндой 7 обычно происходит вдоль или посредством насосно-компрессорной трубы 9. На фиг.1 перфорирующая гирлянда 7 показана расположенной в искривленной части скважины 25. Для иллюстрации, перфорационные отверстия 21 показаны проходящими от скважины 25, сквозь обсадную колонну 17, покрывающую изнутри скважину 25, и далее в окружающую породу 19.
Детонация кумулятивных зарядов осуществляется посылкой сигнала с поверхности на перфорирующую гирлянду 7 по насосно-компрессорной трубе 9. Сигнал поступает на стреляющую головку 14, расположенную в верхней части перфорирующей гирлянды 7. Стреляющая головка 14 передает пусковой сигнал детонатору, который подрывает связанный с ним детонирующий шнур. Обычно детонатор представляет собой электрический капсюль-детонатор, электрически инициируемый детонатор с взрывчатым проволочным мостиком, электрически инициируемый детонатор с взрывчатой фольгой или взрывчатый детонатор ударного действия. Заполненная взрывчатым веществом трубка обычно называется "детонирующим шнуром". Детонирующий шнур известного типа, выпускаемый фирмой "English Bickford Company", предлагается на рынке под названием PRIMACORD. Возникшая детонационная волна распространяется вдоль детонационного шнура, который, в свою очередь, возбуждает детонацию в соединенных кумулятивных зарядах.
На фиг.2 представлен пример секции скважинного перфоратора 13, подрываемого в скважине 25. Видно, что перфоратор 13 включает кумулятивные заряды 16, к которым подсоединен детонационный шнур 18. У некоторых из кумулятивных зарядов 16 была вызвана детонация, в результате которой образовались перфорационные отверстия 21, проходящие в соответствующую породу 19. Отсутствие части детонационного шнура 18 вблизи кумулятивных зарядов, детонация которых произошла, показывает, как шнур поглощается давлением взрывной волны. Приведенный пример иллюстрирует, как происходит последовательная детонация соседних кумулятивных зарядов в конкретном стреляющем перфораторе, создающая перфорационные отверстия, проходящие сквозь обсадную колонну 17 в соответствующую породу 19.
Краткое изложение сущности изобретения
В настоящем изобретении предлагается способ перфорации скважины, включающий размещение в скважине на транспортирующем элементе перфорационной системы, включающей скважинный перфоратор, приемник и(или) передатчик и модуль связи. Способ также включает передачу сигнала детонации к модулю связи, причем конфигурация модуля связи обеспечивает беспроводную передачу соответствующего сигнала детонации к контроллеру, а конфигурация контроллера обеспечивает инициирование детонации скважинного перфоратора под действием сигнала детонации полученного от модуля связи. Сигнал детонации может быть передан с поверхности по транспортирующему элементу. Детонация перфоратора может инициироваться источником давления, в варианте осуществления источником давления может быть давление в скважине. Детонация перфоратора может наступить при передаче давления скважины в инициирующую систему, связанную со стреляющим перфоратором. Для передачи скважинного флюида на детонатор перфоратора может быть использован клапан управления, который может устанавливаться по выбору в открытое или закрытое состояние. Перфорационная система также может включать большое число стреляющих перфораторов с соответствующими контроллерами. Таким образом, способ может включать избирательную посылку сигналов с модуля связи на выбранные контроллеры, благодаря чему осуществляется выборочная детонация конкретного перфоратора, или конкретной группы стреляющих перфораторов. Сигналом, передаваемым по беспроводному каналу, может служить гидроимпульс, радиосигнал, высокочастотный сигнал, передаваемый вдоль перфорационной системы, низкочастотный сигнал, передаваемый вдоль перфорационной системы, или их комбинации.
Настоящее раскрытие также включает перфорационную систему, устанавливаемую в скважине, включающую перфоратор, модуль связи, конфигурация которого обеспечивает, при его расположении в скважине, прием команд с поверхности, и контроллер перфоратора, селективно соединяемый с модулем связи. Конфигурация контроллера перфоратора обеспечивает инициирование детонации перфоратора под действием информации, полученной от модуля связи. В варианте осуществления, контроллер перфоратора включает модуль контроллера и приемник и, возможно, передатчик для двухсторонней передачи данных и алгоритмов. Перфорационная система может также включать детонатор перфоратора, который может выполнять команды контролера перфоратора, и может приводиться в действие давлением. Клапан управления, приводимый в действие контроллером, может использоваться для инициирования детонации и имеет связь по давлению со скважиной и с детонатором. Клапан управления также может выборочно передавать давление в скважине к детонатору. Конфигурация модуля связи может, в варианте осуществления, обеспечивать излучение сигналов, где сигналом может быть гидроимпульс, радиосигнал, высокочастотный сигнал, низкочастотный сигнал, или их комбинации. Перфорационная система может также включать транспортирующий элемент, который может представлять собой трос, насосно-компрессорную трубу, гибкую насосно-компрессорную трубу, лебедку, трактор или их комбинации.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 на виде сбоку с частным разрезом представлено осуществление перфорации;
на фиг.2 на виде сбоку в разрезе представлена детонация кумулятивного заряда;
на фиг.3 и 3a представлены схематические изображения перфорационной системы в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.4 представлены схематические изображения контроллера и детонатора перфоратора.
Подробное описание предмета изобретения
Раскрытые в настоящем описании устройство и система включают перфорационную систему, конфигурация которой обеспечивает инициирование детонации скважинного стреляющего перфоратора путем избирательной передачи по беспроводному каналу сигналов от части перфорирующей гирлянды к отдельным стреляющим перфораторам или группам стреляющих перфораторов. Конфигурация перфорирующей гирлянды обеспечивает прием данных команды с поверхности, в то время как гирлянда размещена в скважине. Входящий в систему модуль может принимать команды с поверхности, обрабатывать принятый сигнал, и направлять соответствующий сигнал для инициирования детонации перфоратора. С каждым перфоратором или группой перфораторов связан соответствующий им приемник или приемник/передатчик и контроллер для приема сигнала от модуля и активации инициирования перфоратора. При необходимости, с приемником может быть связан передатчик. Инициирование перфоратора может быть осуществлено путем передачи давления из скважины к детонатору или электрическому детонатору. В одном варианте осуществления активации давлением, приемник/контроллер каждого перфоратора выборочно открывает клапан или впускное отверстие, обеспечивая передачу давления между скважиной и детонатором. Подача давления на детонатор, в свою очередь, активирует детонатор для детонации кумулятивных зарядов в соответствующем перфораторе (или группе перфораторов).
На фиг.3 представлено схематическое изображение варианта осуществления перфорационной системы 30. Перфорационная система включает перфорирующую гирлянду 32, помещенную внутри скважины на транспортирующем элементе 28. Транспортирующий элемент может представлять собой трос, лебедку, насосно-компрессорную трубу, гибкую насосно-компрессорную трубу, и любое другое известное или разработанное впоследствии средство для размещения перфорационной системы внутри скважины.
Головка 34 помещена в самой верхней части перфорирующей гирлянды 32 и присоединена к транспортирующему элементу 28. Головка может быть использована для электрического присоединения перфорационной системы к транспортирующему элементу. Этим обеспечивается одновременно механическое и электрическое соединение для передачи сигналов от транспортирующего элемента 28 к перфорирующей гирлянде 32. Кроме обеспечения электрического и(или) механического соединения между транспортирующим элементом 28 и перфорирующей гирляндой 32, головка 34 может выполнять функцию разрывного соединения, которое нарушается при приложении к транспортирующему элементу 28 чрезмерного натягивающего усилия.
Рядом с головкой 34 на перфорирующей гирлянде 32 размещен модуль 36 связи. Как будет более подробно описано ниже, конфигурация модуля 36 связи обеспечивает прием им сигнала с поверхности, как показано стрелкой 58, и передачу этого сигнала к остальным частям перфорирующей гирлянды. Стрелки (60, 62, 64) изображают связь модуля 36 связи с различными компонентами внутри перфорирующей гирлянды 32. Связь между модулем связи и другими частями перфорирующей гирлянды может быть закодирована таким образом, чтобы перфорационная система 30 могла выборочно выполнять конкретные операции.
В варианте осуществления перфорирующей гирлянды 32, показанном на фиг.3, имеется контроллер 38. Стрелкой 60 показана линия передачи данных между контроллером 38 и модулем 36 связи. Стрелка 60 показывает путь передачи команды, исходящей из модуля 36 связи, принимаемой контроллером 38. Контроллер 38 включает средства для приема сигнала 60 и средства обработки данных, содержащихся в сигнале. Процессор может быть запрограммирован на выполнение конкретного действия, в соответствии с содержанием данных в сигнале 60. Например, если процессор принимает сигнал данных, представляющих команду на инициирование срабатывания перфоратора, процессор может генерировать соответствующий сигнал данных детонации, который может быть затем передан на соответствующую стреляющую головку. Соответствующий сигнал данных представлен стрелками 68, 70 и 72.
Стреляющая головка 40 соединена и связана с перфоратором 42, в котором имеются кумулятивные заряды 43. Перфорирующая гирлянда 32 включает дополнительные группы контроллеров (44, 50), стреляющих головок (46, 52) и перфораторов (48, 54). В представленном варианте осуществления, контроллер 44 связан со стреляющей головкой 46 и перфоратором 48; контроллер 50 связан со стреляющей головкой 52 и перфоратором 54. Следует, однако, отметить, что перфорирующая гирлянда 32 может включать единственный перфоратор, либо, например, большое число перфораторов с длиной гирлянды, превышающей тысячи футов.
В одном режиме работы, детонация перфоратора может начинаться с посылки сигнала на модуль 36 связи с расположенного на поверхности контроллера 56. Хотя стрелка 58 показана снаружи перфорирующей гирлянды 32, стрелка 58 представляет обмен данными, сигналами или командами между контроллером 56 на поверхности и модулем 36 связи. При необходимости, связь может осуществляться разными способами, например, вдоль транспортирующего элемента 28, а также другими известными и разработанными позднее способами переноса сигнала от контроллера 56 на поверхности к модулю 36 связи.
По получении сигнала данных, представленного стрелкой 58, модуль 36 связи может направить соответствующий сигнал инициирования детонации на одну из стреляющих головок, выбранные стреляющие головки или все стреляющие головки одновременно. Сигнал, который в предпочтительном варианте передается по беспроводному каналу, может иметь различные формы. Сигнал может включать гидроимпульс, радиосигнал, высокочастотный сигнал, а также и низкочастотный сигнал. Низкочастотный сигнал может быть передан через корпус инструмента, буровой шлам, а также обсадную колонну. Как отмечалось выше, каждая из стреляющих головок включает приемник и устройство обработки, которое может принимать сигнал и декодировать его с целью определения необходимости срабатывания стреляющей головки. Посредством процессора осуществляется доступ к памяти хранения программ для сопоставления принятого сигнала с ранее закодированными командами, поэтому процессор обладает возможностью предпринимать определенные действия с учетом данных, получаемых от контроллера 38. Хотя контроллеры (38, 44, 50) показаны как отдельные модули, они могут быть объединены с соответствующими стреляющими головками (40, 46, 52). Соответственно, одиночный модуль будет обладать функциями приема сигнала данных, декодирования сигнала данных, и осуществления детонации связанного с ним перфоратора. Стрелками 68, 70 и 72 показаны данные команды, исходящей из контроллера на соответствующую ему стреляющую головку.
Рассматриваемая здесь перфорационная система 30 обладает рядом преимуществ по сравнению с известными перфорационными системами. Например, в известных системах обычно производится детонация всей гирлянды последовательно от верхней части гирлянды к нижней части. Модульная конфигурация перфорирующей гирлянды 32, показанной на фиг.3, обеспечивает возможность выборочного инициирования отдельного перфоратора, либо группы из одного или более перфораторов в пределах гирлянды. В некоторых ситуациях, может потребоваться инициировать один или более стреляющий перфоратор, поменять положение перфорационной системы 32 внутри связанной с ней скважины, и затем направить другую команду с контроллера 56 на поверхности на модуль 36 связи для детонирования одного или более других выбранных перфораторов.
На фиг.3a представлено схематическое изображение другого возможного варианта осуществления перфорационной системы 30a, в которой модуль 36a связи не имеет механического соединения с перфорирующей гирляндой 32a. В варианте осуществления на фиг.3а модуль 36а связи связан с контроллерами (38, 44, 50) по беспроводному каналу связи (показан пунктирными линиями со стрелками) с использованием средств скважины.
На фиг.4 представлен другой пример альтернативного варианта части перфорирующей гирлянды 32b. В этом варианте осуществления, часть перфорирующей гирлянды 32b включает контроллер 38a, стреляющую головку 40a и связанный с ними стреляющий перфоратор 42a. Контроллер 38a включает приемник 74 и модуль 78 контроллера. В некоторых случаях приемник 74 может также работать как передатчик. Как приемник 74, так и модуль 78 контроллера могут получать питание от соответствующей батареи 76. Линия 75 связи иллюстрирует связь между приемником и модулем контроллера. Провод 77 обеспечивает электрическое соединение для электрической связи между батареей 76 и приемником 74 и контроллером 78.
Секция 40a стреляющей головки включает клапан 82, выборочно открываемый или закрываемый модулем управления. Секция 40a также включает приемную линию 84, обеспечивающую передачу давления на вход клапана 82 снаружи стреляющей головки 40а. Таким образом, на вход клапана 82 будет воздействовать давление скважины, когда перфорационная система 32b помещается в скважинном флюиде. Выходная линия 86, стоящая ниже по потоку относительно клапана 82 управления, заканчивается в детонаторе 88, обеспечивая связь давлением клапана 82 со стоящим после него детонатором 88. Детонатор 88 включает цилиндр 89 с расположенным внутри него поршнем 90 и ударником 92. Ударник 92 выступает вниз от поршня 90. В цилиндре 89 имеется преимущественно цилиндрическое отверстие, в котором вдоль оси цилиндра 89 может двигаться поршень 90 соответствующей формы. Граница раздела по наружному радиусу поршня 90 и внутренней окружностью цилиндра 89 должна создавать уплотнение.
Срезной штифт 91 показан проходящим сквозь стенку цилиндра 89 в углубление, образованное в поршне 90. Срезной штифт используется для предотвращения нежелательного перемещения поршня 90 внутри цилиндра 89. Срезной штифт 91 может быть, однако, сделан из мягкого полимерного материала, легко срезаемого под воздействием относительно небольшого перепада давлений по разным сторонам поршня 90. Кроме того, в цилиндре 89 располагается срабатывающий от давления детонатор 93, к нижнему концу которого присоединен детонирующий шнур. Детонирующий шнур 94 проходит от стреляющей головки 40a в соответствующий стреляющий перфоратор 42a. Известно, что инициирование детонации детонирующего шнура 94, в свою очередь, создаст детонационную волну, распространяющуюся вдоль детонирующего шнура 94 для инициирования детонации кумулятивных зарядов 43a, подсоединенных к детонирующему шнуру 94.
Внутри стреляющей головки 40а также показан установленный там дополнительный детонатор 96. Дополнительный детонатор соединен с модулем 78 контроллера проводом с предохранительным выключателем 98, активируемым давлением, а к его противоположному концу присоединен детонирующий шнур 97, соединенный с основным детонирующим шнуром 94.
В одном режиме работы сегмента 32a перфорирующей гирлянды, показанного на фиг.4, сигнал детонации подается к контроллеру 38a по стрелке 60. Приемник 74, конфигурация которого обеспечивает прием и декодирование содержания сигнала 60, принимает сигнал, декодирует его и направляет его содержание в модуль 78 контроллера. Хотя на чертеже они и показаны отдельными устройствами, приемник 74 и модуль 78 контроллера могут быть интегрированы в едином модуле, например, процессора, печатной электронной платы или системы обработки информации. Также как и в случае контроллеров, рассмотренных ранее, модуль 78 контроллера запрограммирован на выполнение действий, в зависимости от содержания сигнала 60. В случаях, когда содержание сигнала включает команду детонации, соответствующий сигнал детонации, обозначенный стрелкой 80, направляется к клапану 82 управления. Клапан управления, включающий исполнительный механизм, может быть открыт, тем самым обеспечивая передачу давления сквозь приемную линию 84 и выходную линию 86 в цилиндр 89. Передаваемое давление, обычно в форме втекающего в цилиндр скважинного флюида, превышает давление среды внутри цилиндра 89. Возникающая сила, в свою очередь, сдвигает с места поршень 90, срезая срезной штифт 91, и двигает вниз поршень 90 и ударник 92, который ударяет в детонатор 93. Заостренный конец ударника 92 обладает достаточной ударной энергией для воспламенения детонатора 93 для создания соответствующей детонации в детонирующем шнуре 94 для детонации кумулятивных зарядов 43a. Соответственно, одним из преимуществ использования комбинации модуля 38 контроллера и стреляющей головки 40a для инициирования давлением является то, что нет опасности преждевременной детонации перфорирующей гирлянды 32 из-за случайно попавших электрических сигналов. Это достигается благодаря тому, что детонация перфорирующей гирлянды возможна только в присутствии скважинного давления. В результате, детонация этих стреляющих перфораторов не может произойти случайно, до их размещения внутри скважины.
Описанное изобретение, таким образом, подходит для успешного решения поставленных задач и достижения упомянутых целей и преимуществ изобретения, а также и других, присущих ему. В то время как предпочтительные варианты осуществления были представлены для целей раскрытия изобретения, многочисленные изменения возможны при конкретном достижении нужных результатов. Например, описанное здесь изобретение пригодно для любого фазирования кумулятивных зарядов, а также любой плотности кумулятивных зарядов. Более того, изобретение может быть использовано со стреляющим перфоратором любого размера и перфорирующим элементом любого типа и, вследствие этого, не ограничено кумулятивными зарядами в качестве перфорирующего элемента. Предполагается, что эти и другие аналогичные модификации, которые могут быть предложены специалистами в пределах области притязаний приложенной формулы изобретения.