СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ ПЕРФОРАТОРОВ, СПУСКАЕМЫХ НА НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБАХ
METHOD FOR INITIATION OF PERFORATORS RUN IN WITH TUBE STRING

Изобретение относится к проведению 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 способ инициирования применяемых зарядов.
В настоящее время известны способы перфорации продуктивного пласта в скважине с использованием следующих методов инициирования:
сброс штанги инициирующей [1];
спуск штанги инициирующей на кабеле или гибкой трубе [2];
продавливание шара по насосно-компрессорной трубе [3, 4, 5, 6];
применение взрывных головок гидравлического действия [1, 7];
Первый способ применяют при осуществлении перфорации продуктивного пласта в вертикальных или наклонных скважинах с небольшим углом наклона. В горизонтальных скважинах его применение невозможно.
Осуществление перфорации продуктивного пласта в горизонтальных скважинах вторым способом является трудоемким, дорогостоящим и ненадежным, так как требует применения специального оборудования, такого как жесткий геофизический кабель или гибкая труба (колтюбинг). В этом случае доставка инициирующей штанги к головке трубного перфоратора и инициирование перфоратора ударным методом весьма затруднительно.
Осуществление перфорации продуктивного пласта в горизонтальных скважинах третьим способом возможно только на репрессии, что приводит к задавливанию продуктивного пласта скважинной жидкостью под действием избыточного давления.
Осуществление перфорации продуктивного пласта с применением взрывных головок гидравлического действия является наиболее приемлемым методом перфорации в горизонтальных скважинах на депрессии [7].
Недостатком известного способа является дороговизна проводимых работ, повышенные требования к квалификации исполнителей и они более сложны по технологии, так как предусматривают систему трубопроводов, и сложнее вписываются в компоновки с другим скважинным оборудованием, также имеющим гидравлическую связь с устьем скважины [1].
Известные решения позволяют осуществлять инициирование зарядов без использования проводных каналов связи. Общим недостатком всех вышеупомянутых способов является невозможность осуществления селективной - выборочной перфорации.
Селективная перфорация, как пример, бывает необходимой для случаев особо щадящего режима вторичного вскрытия пласта с требованиями минимального воздействиями 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 [9].
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.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности перфорации за счет возможности селективного инициирования применяемых зарядов с исключением возможности их случайного инициирования и повышение эффективности проведения прострелочно-взрывных работ в горизонтальных скважинах за счет возможности инициирования перфораторов на депрессии и сокращения временных затрат на проводимые работы.
Необходимый технический результат достигается тем, что способ инициирования перфораторов, спускаемых на насосно-компрессорных трубах, включает анализ степени неоднородности продуктивного пласта, состояния крепи скважины в зоне влияния перфорации, установление степени проявления или возможного влияния нижних и/или верхних пластовых вод в отношении к рассматриваемому продуктивному пласту, компоновку групп зарядов в перфораторе в зависимости от выше упомянутых изученных условий с заданным алгоритмом, в который, из условия получения максимального притока флюида с минимальным его обводнением и щадящим режимом воздействия на крепь скважины, включают установление:
степени возможного удаления друг от друга или приближения друг к другу отдельных зарядов по длине перфоратора;
степени различия мощности зарядов друг от друга по длине перфоратора;
последовательности срабатывания зарядов и времени их срабатывания;
включение в компоновку перфоратора по меньшей мере одного 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 в заданный момент времени осуществляют ранее запрограммированные события в скважине для разрешения узлу подрыва осуществления собственно подрыва групп зарядов.
Кроме того:
в качестве зарядов в перфораторе используют кумулятивные заряды;
перфоратор спускают в скважину на трубах;
основным видом скважин для данного способа являются наклонные и горизонтальные скважины;
способ позволяет осуществлять инициирование перфоратора на депрессии;
в качестве программируемых физических событий в скважине предусматривают создание в скважине с устья серии определенных избыточных давлений заданной величины на определенное время с заданными паузами между приемами создания избыточного давления;
в качестве программируемых физических событий в скважине предусматривают заданный порядок перемещения труб в скважине, включающих осевые перемещения и вращения с заданными скоростями в течение заданного времени через заданные промежутки времени.
Сущность изобретения:
Настоящий способ в соответствии с изобретением предполагает осуществление селективной перфорации. Это понятие включает в себя осуществление инициирования разных групп зарядов перфоратора, отличающихся по мощности, их расположению и времени срабатывания. Такая задача возникает тогда, когда необходимо предотвратить, например, вскрытие верхних и/или нижних пластовых вод, сопутствующих продуктивному пласту, учесть свойства пород продуктивного пласта с условием исключения избыточного пескования скважины, учесть состояние крепи скважины (обсадной колонны и цементного кольца) с условием снижения взрывных нагрузок на нее и предотвращения ее разрушения. Заряды (группы зарядов) перфоратора, примыкающие к кровле и/или подошве продуктивного пласта могут быть выбраны при этом, например, меньшей мощности, установлены наклонно относительно оси перфоратора и ориентированы в сторону, противоположную от кровли и/или подошвы продуктивного пласта. При этом эти заряды применяют минимальной мощности с минимальным фугасным эффектом и подлежат, например, первоначальному инициированию. В последующем могут быть инициированы заряды (группы зарядов) в центральной части продуктивного пласта, например, с большей мощностью, которая может быть скомпенсирована существующими (ранее созданными) каналами перфорации (их полостями, заполненными средой меньшей плотности), созданными зарядами меньшей мощности. При этом предусматривают такую систему инициирования зарядов (групп зарядов), которая исключает их случайное инициирование.
Способ может быть рассмотрен как вариант спуска перфоратора на трубах, и с применением, по существу, взрывной головки с заданным алгоритмом ее работы. При этом, предусмотрено использование, в качестве условий разрешения инициирования, физических процессов, осуществляемых в скважине при проведении различных технологических операций, связанных с прострелочно-взрывными работами или специально разработанными для реализации предложенного способа. Эти физические процессы, создают необходимые условия, используемые в качестве опций алгоритма по принятию решений, связанных с инициированием перфоратора. В качестве таких условий предлагается использовать технологические операции, применяемые при проведении прострелочно-взрывных работ. Это, например, изменение гидростатического давления в скважине, вращение насосно-компрессорных труб, промывка скважины, изменение состава скважинной жидкости, траектория движения перфоратора в скважине (геометрия скважины), пакеровка и распакеровка затрубного (межтрубного) пространства скважины, установка в вертикальной части скважины изолирующих мембран и их разбитие штангой, для создания динамического (кратковременного) изменения скважинного давления. Изменение гидростатического давления достигают за счет спускоподъемных операций, компрессирования, работы поверхностных агрегатов, свабирования и работы электрических центробежных насосов (ЭЦН). Может быть использовано импульсное воздействие на гидравлическую среду скважины. Для этого могут быть использованы пороховые генераторы давления. Также в качестве проводящей - передающей информацию среды, например, акустическую, могут быть использованы скважинная жидкость, насосно-компрессорные трубы (НКТ) или обсадная колонна скважины, массив породы, определенные пласты, соседние скважины в целом. В качестве средства акустической информации могут быть приняты взрывные средства, механические, сейсмические, пневматические, гидравлические и пр. На определенных этапах технологических операций может быть предусмотрено использование временных задержек, гарантированных исполнителем. Предполагается применение дополнительных технологических операций или процессов, не предусмотренных при проведении прострелочно-взрывных работ. Например, спуск кабельного прибора для создания телеметрического канала связи между прибором и электронной взрывной головкой по скважинной жидкости или НКТ. В этом случае, кодированные команды на инициирование, формируемые аппаратурой геофизической станции, или сигналы от взрывного высокочастотного прибора, подают с поверхности по кабелю в прибор, а затем, после преобразования электрических сигналов в физические процессы, по скважинной жидкости или по НКТ до электронной взрывной головки. В качестве таких преобразователей могут быть применены магнитострикционные преобразователи, пьезоэлектрические излучатели, ударные устройства, компрессоры, взрывные источники, пороховые заряды, электрические разрядники.
Таким образом, предложен способ, использующий в качестве канала связи, необходимого для передачи инициирующих команд, все, что связано со скважиной или окружает ее (пласты, колонны, скважинная жидкость, геометрия скважины, соседние скважины), а в качестве сигналов используют физические процессы, сопровождающие различные технологические операции. Инициирование перфоратора осуществляют при совпадении нескольких, разнесенных во времени, комбинаций различных физических процессов с заранее заданными параметрами. Защиту от несанкционированного срабатывания перфоратора осуществляют выбором таких комбинаций физических процессов, которые исключают случайное их совпадение при неготовности к перфорации, при обязательном наличии скважинного давления (не менее 2 МПа). Все это предусмотрено для эффективного осуществления селективной перфорации. В этом
случае каждую секцию перфоратора или группу зарядов снабжают, например, своей взрывной головкой с заданным алгоритмом действия и записывают в нее разные условия принятия решения - разрешения взрыва. Например, в случае работы с кабельным прибором, таким условием может быть уникальный индивидуальный номер электронной инициирующей головки, прописанный в нее изготовителем.
Для реализации селективного электронного способа инициирования перфоратора может быть применена электронная взрывная головка (ЭВГ), представляющая собой автономную головку с электронным инициированием перфоратора. ЭВГ заменяет или дополняет штатные взрывные головки перфораторов на насосно-компрессорных трубах, придавая им функцию интеллектуальности. Это, в свою очередь, приводит к гибкости и упрощению проведения прострелочно-взрывных работ, в том числе в горизонтальных скважинах на депрессии.
В ЭВГ применяют автономное перепрограммируемое электронное устройство. Для инициирования перфоратора электронной инициирующей головкой необходимо соблюдение заранее определенных условий, указанных выше. Эти условия используют в качестве опций алгоритма принятия решения по инициированию перфоратора и записывают в энергонезависимую память ЭВГ.
Состав электронной взрывной головки.
Электронная взрывная головка выполняет следующие функции:
запоминает в энергонезависимой памяти последовательность технологических операций или процессов, заданных и впоследствии воспроизводимых исполнителем работ;
преобразовывает физические величины в электрические сигналы;
нормирует и оцифровывает электрические сигналы;
сравнивает записанные и полученные сигналы;
принимает решение о разрешении или запрете инициирования перфоратора;
формирует временную задержку от момента принятия решения до выработки сигнала на инициирование перфоратора (в это время возможна замена устьевого оборудования, например, установка лубрикатора);
инициирует определенную группу зарядов перфоратора.
Электронное инициирующее устройство перфоратора состоит 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.
В качестве источника питания используют высокотемпературные батареи. В качестве преобразователей физических величин в электрические сигналы могут быть использованы датчики давления, температуры, плотности жидкости, акселерометры, сейсмодатчики, датчики кручения, гидрофоны, расходомеры, приемники акустических сигналов. В качестве нормирующих усилителей, аналого-цифрового преобразователя и устройства сравнения сигналов используют микроконвертор или микроконтроллер с соответствующими электронными обвязками и программным обеспечением.
Устройство сравнения сигналов сравнивает, во временной и амплитудной областях, записанные в энергонезависимой памяти процессы и полученные с датчиков сигналы. Исполнительный модуль предназначен для формирования сигналов или воздействий, необходимых для инициирования перфоратора.
Программно-аппаратный модуль служит для формирования сигнала, необходимого для срабатывания электровоспламенителя взрывного патрона предохранительного типа. Конструкцией патрона обеспечена его защищенность от воздействия источников постоянного тока напряжением до 500 В и переменного тока напряжением до 380 В частотой 50 Гц, от блуждающих токов промышленной частоты практически без ограничений и зарядов статического электричества до 25 кВ. Частоту, амплитуду и длительность сигнала инициирования выбирают в зависимости от применяемого взрывного патрона. Сигналы от модуля подают через контакты реле-давления на обмотку взрывного патрона. Реле давления необходимо для блокировки исполнительных цепей взрывного патрона при отсутствии скважинного давления. Реле давления настраивают на замыкание блокирующих контактов при давлении 5 МПа.
В качестве исполнительного модуля применяют, например, известную схему с двигателем постоянного тока, редуктором и механизмом преобразования вращательного движения в поступательное движение штока. В этом случае используют взрывную головку трубного перфоратора, предназначенную для срабатывания от скважинного давления при срезании предохранительных штифтов инициирующей штангой или шаром. При работе двигателя шток механизма надавливает на втулку головки. Штифты срезаются, т.е. исполнительный модуль выполняет функции инициирующей штанги, и ударник головки под действием давления в скважине инициирует перфоратор. При давлении менее 5 МПа инициирование перфоратора невозможно.
После спуска в горизонтальную часть скважины трубного перфоратора с электронной взрывной головкой в вертикальную часть скважины может быть спущен кабельный пороховой генератор давления [8], с одним или несколькими пороховыми зарядами, создающими, при каждом инициировании с поверхности, импульс давления в жидкости скважины. Затем снижают уровень жидкости до достижения необходимой депрессии. Эти изменения давления фиксируют электронной взрывной головкой и, после временной задержки, необходимой для выполнения ряда технологических операций, таких как подъем геофизического кабеля, снижение гидростатического уровня до необходимого по плану работ, установка устьевого оборудования и т.п., происходит инициирование всего перфоратора или отдельной секции, если применяется несколько ЭВГ.
Другой вариант предполагает использование агрегата на поверхности. В этом случае, после спуска перфорационной системы в горизонтальный участок скважины, с поверхности агрегатом, определенное заранее количество раз, создают избыточное давление в скважине. Длительности воздействия и длительности паузы выдерживаются с допустимым по времени разбросом. Затем снижают уровень жидкости до достижения необходимой депрессии. В электронной взрывной головке по специальному алгоритму происходит сравнение записанной в память и реальной циклограмм давления. В случае совпадения происходит инициирование перфоратора.
Третий вариант аналогичен второму, но вместо агрегата на поверхности используют электроцентробежный насос в скважине. В этом случае создают несколько, заранее определенных, циклов снижения и повышения уровня скважинной жидкости. Затем выходят на режим депрессии и инициируют перфоратор.
Во втором и третьем вариантах, в качестве дополнительного инициирующего сигнала, можно использовать вращение НКТ (если не используют межколонный пакер). Во всех вариантах перед инициированием предусмотрена временная задержка (от нескольких секунд до нескольких часов). Для безопасности проведения прострелочно-взрывных работ предусмотрены сигналы отказа от инициирования, в частности, таким сигналом может быть подъем перфоратора на заранее определенное или большее количество труб НКТ.
В первом варианте безопасность проведения работ дополнительно обеспечивают методом инициирования, т.е. подачей инициирующего сигнала с поверхности, и применением взрывного патрона предохранительного типа.
Способ осуществляют следующим образом.
Вначале перед перфорацией скважины анализируют геологические условия - степень неоднородности продуктивного пласта - наличие непродуктивных пропластков и прослоев и их пространственное положение. Изучают состояние крепи скважины в зоне влияния перфорации - степень изношенности колонны, ее герметичность, качество цементирования обсадной колонны. Устанавливают степень проявления или возможного влияния нижних и/или верхних пластовых вод в отношении к рассматриваемому продуктивному пласту при воздействии на него многократными взрывами. С учетом полученных данных осуществляют компоновку групп зарядов по их мощности, расположению и времени инициирования с заданным алгоритмом. В этот алгоритм закладывают получение максимального притока флюида с минимальным его заводнением и щадящим режимом воздействия на крепь скважины, а также:
степень отклонения плотности размещения зарядов по длине перфоратора от равномерной, например, из геологических условий;
степень различия мощности зарядов друг от друга по длине перфоратора;
последовательность срабатывания зарядов и время их срабатывания. При этом, включают в компоновку перфоратора по меньшей мере один узел с автономным источником питания и памятью для подрыва зарядов в перфораторе с принятой последовательностью и временем их подрыва. 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.
В качестве физических событий для разрешения подрыва узлу подрыва могут быть использованы, например, любые из вышеописанных физических событий. При этом эти события необходимо рассматривать тоже только в качестве примера.
Источники информации:
1. Куртинов В.М., Божко Г.И., Фалк И.Б. Вскрытие продуктивных пластов перфораторами на трубах Москва, 1990, с..7, 17-28, 40.
2. НТФ ПерфоТех, Перфорационные системы, Ассоциация Нефтегаз Сервис, 2007.
3.Фридляндер Л.Я. Прострелочно-взрывная аппаратура и ее применение в скважинах, Москва, Недра, 1985, с.33, 191-192.
4. ВНИИГЕОФИЗИКА, Методическая инструкция по вскрытию продуктивных пластов перфораторами, спускаемыми на насосно-компрессорных трубах, Москва, 1973, с 23.
5. В.М. Добрынин, Б.Ю. Вендельштейн, Р.А. Резванов, А.Н. Африкян, Промысловая геофизика, Москва, 2004, с,316.
6. Прострелочно-взрывная аппаратура, Справочник, под ред. Л.Я. Фридляндера, Москва, Недра, 1990.
7. INNICOR Subsurface Technologies, ЗАО «Взрывгеосервис», Каталог продукции, 2008
8. ОАО ВНИПИвзрывгеофизика, Высокоэффективные технологии и оборудование для прострелочно-взрывных работ в скважинах, 2003.
9. Патент РФ №2065932, 27.08.1996