ПЕРФОРАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ СКВАЖИНЫ
PERFORATION SYSTEM FOR WELL CASING STRING

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при вскрытии продуктивных пластов в нефтяных, газовых и водяных скважинах кумулятивными перфораторами, спускаемыми на кабеле или трубах.
Одной из основных проблем кумулятивной перфорации в скважине является потеря значительной части энергии кумулятивной струи в слое жидкости между кумулятивным зарядом и обсадной колонной, что приводит к снижению эффективности ее работы при вторичном вскрытии коллектора.
В промышленности существует типовой ряд корпусных кумулятивных перфорационных систем диаметром 50-114 мм, предназначенных для наиболее распространенных эксплуатационной колонн диаметром до 146 мм. При этом проблема потери энергии в среде скважинной жидкости не решена. С применением же таких перфорационных кумулятивных систем в обсадных колоннах большего диаметра, например, 168, 178, 194, 219, 245, 251 мм и более потери энергии возрастают в экспоненциальной зависимости.
Известна перфорационная система, предусматривающая размещение узлов перфорации обсадной колонны в средней части гибких пружинных дуг, выполненных с возможностью их настройки на определенный размер обсадной колонны (см., например, SU 872731, 17.10.1981).
Известное решение обеспечивает возможность приближения перфорационных узлов к внутренней стенке обсадной колонны. Однако, такая конструкция не обеспечивает возможность получения равномерной плотности перфорации и требующейся ее фазировки из-за ограниченных возможностей пружинных дуг, кроме того сложность их устройства не обеспечивает надлежащую надежность при эксплуатации в реальных скважинных условиях.
Известна перфорационная система, выполненная в виде продольных полос с отверстиями, где помещены кумулятивные заряды, и колец под соответствующий диаметр обсадной колонны, соединенных с продольными полосами (см., например, RU 2091567, 27.09.1997).
Это устройство обеспечивает возможность получения необходимой плотности перфорации. Однако, для сохранения качества перфорации по длине перфорируемого интервала необходимо обеспечить жесткость устройства по всей его длине, для чего кольца необходимо устанавливать достаточно часто по длине перфорационной системы. В результате протяженная перфорационная система с диаметром, приближенным к внутреннему диаметру обсадной колонны по всей боковой поверхности становится чрезмерно жесткой для беспрепятственного прохождения по скважине со сложной траекторией и малыми радиусами ее кривизны. В результате, чем больше диаметр жесткой перфорационной системы и ее длина, тем больший зазор между этой системой и внутренним диаметром обсадной колонны необходимо обеспечивать. В ряде случаев могут быть наложены ограничения по длине перфорационной системы из-за невозможности ее спуска в скважину большой кривизны.
Кроме того, использование зарядов в индивидуальных герметичных оболочках приводит к разрушению их при взрыве на осколки и существенному засорению скважины.
Известно также, что бескорпусный тип перфорационной системы при взрыве оказывает большое фугасное воздействие на конструкцию скважины и в ряде случаев недопустимо деформирует обсадную колонну и вызывает растрескивание затрубного цементного кольца не только в интервале, но также выше и ниже перфорируемого интервала, что может привести к обводнению продуктивного пласта.
Недостатком также является то, что при изменении габарита перфорационной системы в широком диапазоне приходится использовать унифицированные (типовые) кумулятивные заряды в индивидуальных герметичных оболочках относительно небольшого габарита.
Это обстоятельство не обеспечивает достаточно высокой эффективности по пробитию глубоких каналов или созданию каналов с большим диаметром входного отверстия. В зарядах такого построения, с одним и тем же ограниченным расстоянием между торцом кумулятивной облицовки и крышкой заряда, не обеспечено использование их потенциальных возможностей по пробитию преграды, поскольку это расстояние существенно меньше фокусного (составляет всего 0,2-0,4 от фокусного расстояния).
Максимальное пробитие преграды кумулятивным зарядом может быть обеспечено на фокусном расстоянии, равным, примерно, двум диаметрам кумулятивной облицовки. В промышленных зарядах оно составляет 40-80 мм. Фактически же расстояние от торца облицовки кумулятивного заряда до первой преграды (крышки этого заряда или корпуса перфоратора) для подавляющего большинства зарядов составляет 10-20 мм. При этом пробивная способность заряда на 20-30% меньше случая, когда выше означенное расстояние близко к фокусному.
В ближайшем известном аналоге использование единых унифицированных зарядов в индивидуальных герметичных оболочках с необходимым приближением к обсадной колонне обеспечено за счет использования колец необходимого диаметра, на которых закреплены полосы с зарядами.
В этом случае, даже с приближением зарядов к стенке обсадной колонны, расстояние от облицовки заряда до преграды (крышки заряда) составляет те же, ранее упомянутые, 0,2-0,4 от фокусного расстояния и, соответственно, пробивная способность перфорационной системы остается постоянно низкой при любом ее габарите, поскольку не полностью использованы потенциальные возможности кумулятивных зарядов.
Техническим результатом изобретения является повышение пробивной способности перфорационной системы независимо от диаметра перфорируемой обсадной колонны и кривизны скважины.
Необходимый технический результат достигается тем, что перфорационная система для обсадной колонны скважины включает полый корпус с отверстиями по его боковой поверхности, полые пробки с донышками, закрепленные в отверстиях корпуса под заданными углами к оси корпуса, полость которого сообщена с полостями пробок и образует единую герметичную систему со средой заданной плотности, кумулятивные заряды, помещенные в корпусе и ориентированные каждый из них в соответствующую полую пробку - вдоль ее оси, при этом полые пробки донной их частью выступают за габариты корпуса на величину, обеспечивающую центрирование этого корпуса в обсадной колонне заданного диаметра и разрушение донышек пробок в рабочем положении перфорационной системы в зоне, приближенной к колонне и фокусному расстоянию кумулятивных зарядов, а корпус имеет диаметр и длину, обеспечивающие его продольную гибкость.
Кроме того:
перфорационная система имеет набор полых пробок разной длины, при одном и том же диаметре корпуса, для разных диаметров обсадной колонны;
полые пробки выполнены с возможностью выдвижения, после спуска в скважину, до внутренней стенки обсадной колонны;
полости корпуса и пробок имеют давление, равное атмосферному;
полости корпуса и пробок имеют давление ниже атмосферного;
в полость каждой пробки установлен цанговый узел, обеспечивающий возможность закрытия пружинных лепестков цангового узла после срабатывания перфорационной системы и препятствия выпадения осколков и шлама от кумулятивных зарядов в скважину;
в полость каждой пробки установлены магниты, не препятствующие прохождению кумулятивной струи при работе перфорационной системы и задерживающие выпадение осколков и шлама от кумулятивных зарядов в скважину;
в полость каждой пробки установлены заряды из высокоэнергетических конденсированных систем трубчатой формы;
расстояние между торцом облицовки кумулятивного заряда и донной частью полой пробки составляет 0,5-1,1 фокусного расстояния кумулятивного заряда;
внутренняя полость каждой пробки выполнена в виде газодинамического сопла для ускорения истечения продуктов взрыва в пробитый перфорационный канал и очищения его от раздробленных частиц горной породы и остатков металлических частиц кумулятивного заряда;
полые пробки закреплены в отверстиях под прямым углом к оси корпуса;
полые пробки закреплены в отверстиях наклонно к оси корпуса;
одна часть полых пробок закреплена в отверстиях под прямым углом к оси корпуса, а другая часть - наклонно к оси корпуса;
полые пробки закреплены в отверстиях наклонно под разными углами к оси корпуса.
В предложенной перфорационной системе все заряды находятся в едином корпусе, а изменение габарита этой системы для обсадных колонн разного диаметра обеспечено установкой против каждого заряда в отверстии корпуса полой пробки соответствующей длины с донышком, максимально удаленным от облицовки кумулятивного заряда и приближенным к внутренней стенке обсадной колонны.
В этом случае обеспечена возможность удаления облицовки кумулятивного заряда от преграды (донышка полой пробки) на расстояние, более близкое к фокусному. Эти расстояние составляет диапазон возможных значений от 0,5 до 1,1 фокусного расстояния, что увеличивает пробивную способность перфорационной системы на 20-30%.
В основе устройства использован типовой промышленный корпусной кумулятивный перфоратор, который может быть секционным - иметь практически любую длину, соответствующую протяженности продуктивного пласта. При этом наружный диаметр такого перфоратора находится в пределах 89-105 мм. Перфорационная система на базе такого перфоратора обеспечивает сохранение продольной гибкости этой системы и обеспечивает оптимальную вписываемость в скважину практически любой кривизны с минимальными зазорами со стенкой обсадной колонны. В этом случае перфорация обсадной колонны и прискважинной зоны продуктивного пласта может быть осуществлена практически при любом ее (колонны) диаметре, например, колонн диаметром 146-245 мм и более. Для этого достаточно иметь лишь набор полых пробок с донышками (стаканами) различной длины под соответствующие внутренние диаметры обсадных колонн. Для осуществления оптимальной перфорации полые пробки могут быть максимально приближены к стенке обсадной колонны, тогда слой жидкости будет минимальным, а энергия использования взрыва максимальной. Полые пробки при этом выполняют двойную функцию - являются средством центрирования перфорационной системы в колонне скважины и, одновременно, средством оптимизации в использовании энергии кумулятивных зарядов.
Дальнейшим резервом еще большего использования энергии взрыва послужит возможность приближения полых пробок вплотную к внутренней стенке обсадной колонны за счет выполнения этих пробок выдвижными, например, телескопическими (например, от энергии самого кумулятивного заряда или дополнительных зарядов). В случае же плотности среды в единой системе «корпус - полые пробки» ниже плотности среды в скважине резерв увеличивается. Далее, при давлении внутри герметичного корпуса и полых пробок ниже атмосферного энергия взрыва будет использована в еще большей степени. Увеличение объема корпуса за счет полостей пробок снижает фугасное воздействие на колонну скважины за счет поглощения энергии взрыва. Выполнение корпуса герметичным заодно с полыми пробками (при давлении внутри них на уровне атмосферного или ниже него) позволяет воздействовать на образованные перфорационные каналы - осуществлять их очистку за счет перепада давлений между перфорационными каналами и корпусом. При этом предусмотрена возможность препятствия выпадению осколков и шлама сработавших кумулятивных зарядов в скважину за счет, например, установки во внутреннюю полость каждой пробки цангового узла или магнитов. Заряды из высокоэнергетических конденсированных систем в полости пробок позволят при их регулируемом горении улучшить газодинамику кумулятивной струи прямым потоком (по направлению действия кумулятивной струи), создать газоприток в перфорационные каналы и, например, увеличить трещины в зоне перфорационных каналов и создать увеличенную зону дренирования для пластового флюида. В качестве высокоэнергетических конденсированных систем могут быть рекомендованы термиты, взрывчатые вещества, пороха, ракетное топливо.
Полые пробки могут быть выполнены с резьбой как и отверстия под эту резьбу. Резьбовое соединение герметичного корпуса и полых пробок может быть герметизировано. В этом случае устройство является разборным и является приспособленным для выполнения перфорации обсадной колонны любого диаметра путем установки полых пробок соответствующей длины.
Не исключается возможность другого соединения герметичного корпуса с полыми пробками, например, сварки.
Полые пробки могут быть выполнены с возможностью их закрепления в корпусе перфоратора под углом к его продольной оси соосно с кумулятивными зарядами, за счет чего проделываются перфорационные каналы, способствующие установлению улучшенной вертикальной гидродинамической связи по пласту-коллектору, например, сильно расчлененному, и, как следствие, лучшему притоку флюида к скважине.
Выполнение различной ориентации кумулятивных зарядов по п.п.11-14 формулы предназначено для дальнейшего улучшения вертикальной гидродинамической связи по пласту-коллектору.
На фиг.1 изображено сечение перфорационной системы.
Перфорационная система для обсадной колонны скважины включает корпус 1 с полостью 2, отверстиями 3 по его боковой поверхности, пробки 4 с полостями 5 и донышками 6. Пробки 4 закреплены в отверстиях 3 под заданными углами к оси корпуса 1. Полость корпуса 1 сообщена с полостями 5 пробок 4 и образует единую герметичную систему со средой заданной плотности, например, в виде газа (азота) или воздуха под атмосферным давлением или ниже него. В корпусе 1 помещены кумулятивные заряды 7. Эти заряды, каждый из них, ориентированы в соответствующую полую пробку 4 - вдоль ее оси. Полые пробки 4, донной их частью, выступают за габариты корпуса 1 на величину, обеспечивающую центрирование этого корпуса в обсадной колонне 8 заданного диаметра и разрушение донышек 6 пробок 4 в рабочем положении перфорационной системы в зоне, приближенной к обсадной колонне 8 и фокусному расстоянию кумулятивных зарядов 7. Корпус 1 имеет диаметр и длину, обеспечивающие его продольную гибкость для возможности спуска в скважину любой кривизны.
Выполнение устройства по п.п.2-14 условно не показано, поскольку может быть понято без графического сопровождения.
Устройство работает следующим образом.
Для скважины, например, с малым радиусом кривизны (до 500 м) предусматривают использование на базе стандартного корпусного секционного кумулятивного перфоратора с наружным диаметром 105 мм и длиной 10 м, имеющим достаточную продольную гибкость, для обсадной колонны 178 мм. В корпусе 1 могут быть выполнены резьбовые отверстия 3 под полые резьбовые пробки 4 с донышками. Отверстия 3 могут быть выполнены по боковой поверхности корпуса, например, в шахматном порядке или с фазовой ориентацией 60°. Полые пробки 4 выполнены такой длины, чтобы они выступали за пределы корпуса и обеспечивали с внутренней стенкой обсадной колонны 8 зазор не более 10-15 мм. При этом дополнительную поправку на зазор в сторону его увеличения (в расчете на кривизну скважины и длину перфорационной системы) вводить не надо.
В корпусе 1 размещают кумулятивные заряды 7 с оснасткой для приведения их в действие в скважинных условиях. Присоединяют полые пробки 4 к корпусу 1 с герметизацией резьбовых соединений. Обеспечивают общую герметизацию системы корпус - полые пробки. Осуществляют спуск перфорационной системы в скважину. При этом полые пробки 4 выполняют функцию центраторов в обсадной колонне 8 скважины. При установке перфорационной системы в скважине на заданной глубине зазор, а следовательно и слой жидкости между донной частью полых пробок 4 и обсадной колонной 8 минимальный. При подрыве кумулятивных зарядов 7 в скважине оптимально сформированные кумулятивные струи на расстоянии, близком к фокусному с минимальными потерями энергии в пристенном с колонной слое скважинной жидкости пробивают обсадную колонну 8 и создают глубокие каналы в пласте, благодаря более полному использованию энергии кумулятивных зарядов 7. При необходимости могут быть подключены вышеописанные дополнительные эффекты по созданию трещиноватости поверхности каналов, очистке перфорационных каналов и предотвращению засорения скважины остатками кумулятивных зарядов.
После перфорации обсадной колонны корпус 1 с осколками и остатками от взрыва извлекают из скважины и, при необходимости, готовят к следующему использованию.