УСТРОЙСТВА И СПОСОБЫ ДЛЯ ПЕРФОРИРОВАНИЯ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
DEVICES AND METHODS FOR WELL BORE PERFORATION

[0001] Настоящее изобретение относится к устройствам и способам для перфорирования пласта.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Углеводороды, такие как нефть и газ, добывают из обсаженных скважин, пересекающих по меньшей мере один углеводородный бассейн в пласте. Эти углеводороды затекают в ствол скважины через отверстия в ее обсаженной части. Отверстия обычно проделывают с помощью скважинного перфоратора с кумулятивными зарядами. Перфоратор на канате, снабженном линией подачи электричества, тросе, системе труб, гибкой насосно-компрессорной трубе или другом доставляющем устройстве доставляют к пласту, из которого добываются углеводороды. После этого сигналом с поверхности приводят в действие детонатор, соединенный с перфоратором, который вызывает детонацию кумулятивных зарядов. Сформированные взрывом кумулятивных зарядов пули или факелы проникают сквозь обсадную оболочку и обеспечивают протекание пластовых текучих сред через отверстия в эксплуатационную обсадную колонну.
[0003] Кумулятивные заряды, используемые в перфорировании нефтяных скважин и т.п., как правило, имеют корпус цилиндрической формы, изготовленный из металла, пластмассы, резины и т.п. Корпус имеет открытый конец и вмещает взрывчатый материал, имеющий напротив открытого конца корпуса вогнутую поверхность. Вогнутая поверхность взрывчатого материала закрыта облицовкой, которую используют для закрытия открытого конца корпуса. После детонации взрывчатого материала образуется ударная волна сжатия, которая разрушает облицовку.
Внутренняя часть облицовки выталкивается в виде высокоскоростного факела малого диаметра, который вызывает перфорирование обсадной оболочки и окружающего цемента, содержащегося в нефтяной скважине, и т.п. Остатки цемента возле облицовки могут сформироваться в крупный кусок, который может последовать за высокоскоростным факелом в полученное отверстие, заблокировать его и мешать проходу нефти.
[0004] Хотя кумулятивные заряды давно применяют при разработке нефтяных месторождений, свойства и динамические характеристики факелов, образующихся при взрывах кумулятивных зарядов, детально исследованы, однако конструкции традиционных кумулятивных зарядов не позволяют полностью использовать имеющееся количество задействованных взрывчатых веществ и/или имеющееся количество задействованной облицовки для формирования факела.
Предлагаемое изобретение позволяет устранить эти и другие недостатки известных решений.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] В настоящем изобретении предложено устройство для перфорирования подземных пластов. Устройство содержит трубчатый носитель; трубу с зарядом, размещенную в трубчатом носителе и по меньшей мере один кумулятивный заряд, установленный в ней. Кумулятивный заряд содержит оболочку; взрывчатый материал, размещенный в оболочке, и облицовку, окружающую взрывчатый материал, размещенный в указанной оболочке. Облицовка имеет верхушечная часть, профиль которой толще профиля любой другой части облицовки.
В одном аспекте настоящего изобретения профиль верхушечной части по меньшей мере на пятьдесят процентов толще профиля части облицовки, примыкающей к верхушечной части.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения плотность материала верхушечной части больше плотности материала любой другой части облицовки.
Облицовка, имеющая осевую длину L, может иметь первый участок, содержащий верхушечную часть, и второй участок, содержащий юбочную часть, при этом длина первого участка, как и длина второго участка, по существу равна половине осевой длины облицовки, а масса первого участка больше массы второго участка.
В одном аспекте настоящего изобретения взрывчатый материал, примыкающий к облицовке, является распределенным для уменьшения давления, возникающего в зоне, примыкающей к верхушке.
[0006] Кроме того, в настоящем изобретении предложен способ перфорирования подземного пласта.
Согласно способу доставляют в скважину, проникающую в пласт, кумулятивный заряд, содержащий оболочку, взрывчатый материал, размещенный в оболочке, и облицовку, окружающую взрывчатый материал, размещенный в указанной оболочке, и имеющую верхушечную часть, профиль которой толще профиля любой другой части облицовки; и вызывают детонацию кумулятивного заряда..
В одном аспекте настоящего изобретения профиль верхушечной части по меньшей мере на пятьдесят процентов толще профиля части облицовки, примыкающей к верхушечной части.
В другом аспекте настоящего изобретения плотность материала верхушечной части больше плотности материала любой другой части облицовки.
Облицовка, имеющая осевую длину L, может содержать первый участок, содержащий верхушечную часть, и второй участок, содержащий юбочную часть, при этом длина первого участка, как и длина второго участка, по существу составляет половину осевой длины облицовки, а масса первого участка больше массы второго участка.
В одном аспекте настоящего изобретения взрывчатый материал, примыкающий к облицовке, распределен для уменьшения давления, возникающего в зоне возле верхушке.
Доставка кумулятивного заряда в скважину может осуществляться с использованием: (i) гибкой насосно-компрессорной трубы, (ii) бурильной трубы, (iii) каната или (iv) троса.
[0007] Следует понимать, что наиболее важные признаки изобретения подробно описаны с целью лучшего понимания приведенного ниже детального описания изобретения, а также с целью надлежащей оценки значения настоящего изобретения. Дополнительными признаками настоящего изобретения, приведенными ниже, сформированы пункты формулы изобретения, которые включены в формулу изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Для подробного раскрытия настоящего изобретения приведено подробное описание примера его реализации вместе с сопровождающими чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми числами:
на фиг.1A и 1B показаны сечения традиционной конструкции кумулятивных зарядов;
на фиг.2 показан вид сбоку факела, сформированного кумулятивным зарядом;
на фиг.3 показан кумулятивный заряд, выполненный в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.4 показан верхушечный участок, соответствующий варианту реализации по фиг.3;
на фиг.5 показана проход для промежуточной детонации, соответствующий варианту реализации по фиг.3;
на фиг.6 представлено графическое изображение профиля осевых скоростей для традиционного кумулятивного заряда, а также графическое изображение кумулятивных зарядов, изготовленных в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения;
на фиг.7 показан еще один кумулятивный заряд, изготовленный в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.8 показан перфоратор, в котором использованы кумулятивные заряды, изготовленные в соответствии с настоящим изобретением.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Настоящее изобретение относится к устройствам и способам для перфорирования ствола скважины. Настоящее изобретение может быть реализовано в различных вариантах. На чертежах показаны и в этом документе подробно описаны конкретные варианты реализации изобретения, при этом настоящее описание следует рассматривать как пример раскрытия принципов изобретения, не ограничивающий объем настоящего изобретения.
[0010] На фиг.1A и 1B приведено изображение традиционного кумулятивного заряда 10 для перфорирования подземного пласта. Одной из наиболее важных характеристик кумулятивного заряда для нефтяных месторождений является общее проникновение (total target penetration, TTP) в пласт. Общее проникновение представляет собой протяженность проникновения в пласт факела, образованного кумулятивным зарядом. В общем случае, увеличение протяженности проникновения факела в пласт приводит к большему вытеканию текучей среды из полученного отверстия. Таким образом, максимальное увеличение общего проникновения может оказывать существенное влияние на количество углеводородов или иных текучих сред, добытых из перфорированного пласта. Величина общего проникновения определяется многими факторами, такими как форма, геометрические характеристики и состав материалов оболочки 12, облицовки 14 и взрывчатых материалов 16. Одним из факторов, который может приводить к уменьшению общего проникновения факела, является обратный или отрицательный градиент осевой скорости, возникающий при его образовании. Отрицательный градиент осевой скорости возникает в начале образования факела 11, изображение которого приведено на фиг.2. Иными словами, отрицательный градиент осевой скорости означает, что осевая скорость передней части 11A факела 11 может быть меньше осевой скорости его хвостовой части 11B. При этом, материал, имеющий осевую скорость с обратным градиентом, проходит из верхушечной части участка 17 облицовки 14. Осевая скорость с обратным градиентом может сопровождаться по меньшей мере двумя нежелательными явлениями: (i) возникновением сопротивления осевой скорости материала, поступающего следом, и (ii) бесполезным расходованием материала облицовки.
[0011] На основе исследований, проведенных авторами изобретения, максимальную осевую скорость в факеле, образованном при использовании традиционного кумулятивного заряда, имеет материал облицовки, расположенный между точками с координатами 0,35L и 0,5L. Длина L представляет собой общую длину облицовки 14, измеренную от ее верхушки 17 до юбочной части 19. Большая часть материала между точками с координатами 0L и 0,5L не влияет существенно на формирование факела. Кроме того, так как материал между точками с координатами 0L и 0,5L не формирует факел, то соответствующий материал, выполненный на основе бризантных взрывчатых веществ, в этой зоне меньше влияет на формирование факела и его скорость. Также авторы изобретения убедились в том, что изменение геометрических характеристик внутренней оболочки и облицовки может изменить положение того места на облицовке, от которого происходит развитие максимальной осевой скорости.
[0012] Как показано на фиг.1B, материал, первоначально находившийся в точке 20, сначала достигнет точки 22, прежде чем точки 22 достигнет материал, первоначально находившийся в точках 24 и 26. Поскольку скорости материала, первоначально находившегося в точках 24 и 26, больше скорости материала, первоначально находившегося в точке 20, то возникает обратный градиент осевой скорости. Это значит, что меньшая скорость материала в точке 20 будет достигнута до того, как будет достигнута большая скорость материала в точках 24 и 26. С точки зрения механики обратный градиент соотносится с различными траекториями, по которым движется ударная волна к точкам 20, 24 и 26.
Как показано на фиг.1B, ударная волна, образуемая после детонации кумулятивного заряда 10, достигает точки 20 по траектории 30 и толкает материал от исходной точки 20 к точке 22. Ударная волна также проходит по траектории 32 к точкам 24 и 26 и толкает материал от исходных точек 24 и 26 к точке 22. Скорость ударной волны при взрыве бризантного взрывчатого вещества с высокой температурой плавления (high melting explosive, HMX) составляет около 9,11 км/сек.
[0013] В вариантах реализации настоящей конструкции использованы признаки, уменьшающие вероятность возникновения отрицательного градиента скорости. Как будет показано ниже, эти признаки позволяют обеспечить формирование факела, при котором материал, имеющий большую осевую скорость, располагается перед материалом, имеющим относительно малую осевую скорость.
[0014] На фиг.3 показан один кумулятивный заряд 100, изготовленный в соответствии с настоящим изобретением. Заряд 100 содержит оболочку 105, которая содержит некоторое количество взрывчатого материала 110, окруженного облицовкой 120. Обычно оболочка 105 имеет традиционную конструкцию и может быть изготовлена из таких материалов, как сталь и цинк. Другими пригодными для этой цели материалами являются композитные материалы, армированные частицами или волокнами. Оболочка 105 может иметь такие геометрические характеристики, при которых она симметрична относительно оси 170. Форму оболочки 105 можно изменять для различных целей, чтобы обеспечить глубокое проникновение или формирование большого входного отверстия, или и то, и другое. Геометрические характеристики облицовки можно изменять известными способами для обеспечения глубокого проникновения и формирования небольших входных отверстий, обеспечения относительно неглубокого проникновения и формирования больших входных отверстий, или обеспечения относительно глубокого проникновения и формирования относительно больших входных отверстий. Тем не менее, настоящее изобретение не ограничено какой-либо конкретной конструкцией кумулятивного заряда или каким-либо конкретным вариантом использования.
[0015] В одном варианте реализации настоящего изобретения оболочка 105 имеет паз 112 для размещения детонирующего шнура (не показан), а также канал или полость 114 для обеспечения передачи импульса от детонирующего шнура (не показан) взрывчатому материалу 110, также называемому в данном тексте основным взрывчатым зарядом.
В нескольких вариантах реализации кумулятивный заряд 100 имеет по меньшей мере один признак в отношении регулировки положения материала, формирующего перфорирующий факел, и скорости этого материала. В одном варианте реализации взрывчатый материал, используемый в указанном количестве и примыкающий к облицовке 120, распределен так, что обеспечено уменьшение давления, вызываемого указанным взрывчатым материалом, в зоне возле верхушки 150, и/или обеспечено увеличение давления в зонах, примыкающих к ней.
На фиг.4 подробно изображена область возле верхушки 150. На фиг.4 показана зона, ограниченная точками 200, 204, 210, 230, 228, 216, 214, и 206. Указанная зона содержит некоторое количество взрывчатого материала, используемого для инициирования детонации. Как проиллюстрировано на фиг.3 и 4, это количество взрывчатого материала представлено как материал 130 инициирующего заряда и материал 160 инициирующего заряда. Материал 130 размещен в канале 114. Материал 160 размещен в зазоре между поверхностью 250 и частью верхушки 150. В одном варианте реализации этот зазор образован выемкой 254, сформированной на поверхности 250, что позволяет обеспечить равномерное распределение взрывчатого материала вокруг верхушки 150. Таким образом, оболочка 105 имеет первый внутренний объем, в котором содержится первое количество взрывчатого материала для формирования факела, и второй внутренний объем, содержащий второе количество материала для инициирования детонации кумулятивного заряда 100. В показанном примере в состав второго количества материала включены материала 130 и 160 инициирующего заряда. В некоторых вариантах реализации соотношение и размещение первого количества и второго количества взрывчатого материала являются регулируемыми, чтобы материал в верхушке 150 при формировании факела имел меньшую скорость, чем материал в других частях.
[0016] Толщина материалов 130 и 160 инициирующего заряда доведена до минимума, необходимого для обеспечения стабильной детонации. В некоторых вариантах реализации ширина материалов 130 и 160 может составлять около 0,04-0,09 дюймов (11-23 мм) для обеспечения стабильного инициирования подрыва основного взрывчатого вещества 110. В одном варианте реализации значение толщины между точками 212 и 222 определяют с помощью гидродинамической программы для выполнения численного моделирования, с помощью которого можно определить минимальное значение толщины для обеспечения прочности облицовки. При проведении компьютерного моделирования были использованы такие факторы, как состав материала облицовки, пористость ее верхушки, геометрические характеристики облицовки и скорость ударной волны в части 150. Кроме того, стенка облицовки 120 в точках 220 и 224 на фиг.4 должна быть достаточно тонкой, чтобы обеспечить относительно высокую концевую осевую скорость. Тем не менее, на концентричность концевой осевой скорости факела может оказывать влияние толщина стенки в точках 220 и 224. Концентричность детонирующей волны зависит от небольшого прохода 130 для промежуточной детонации, от микроструктуры материала 130 инициирующего заряда, от микроструктуры материала 160 инициирующего заряда, а также от основного взрывчатого вещества 110.
[0017] При сопоставлении фиг.1B с фиг.4 следует иметь в виду, что материалы 130 и 160 инициирующего заряда используются в меньшем количестве, чем для традиционных кумулятивных зарядов. В результате, использование материалов 130 и 160 приводит к развитию относительно небольших пиковых давлений по сравнению с основным взрывчатым зарядом 110. Кроме того, ударная волна, образуемая инициирующими зарядами 130 и 160, распространяется относительно медленно. Таким образом, следует принимать во внимание тот факт, что материал в верхушке 150 может иметь меньшую скорость, чем материал в зонах, примыкающих к верхушке 150, таких как точки 218 и 226.
[0018] Канал 114, содержащий материал 130 инициирующего заряда, может иметь форму, позволяющую регулировать пиковое давление и скорость ударной волны. Величина скорости смещения, или боковой скорости, может зависеть от многих факторов, таких как детонационная волна взрывчатого вещества и концентричность облицовки. Как показано на фиг.5, концентричность детонационной волны зависит в основном от геометрических характеристик зоны детонации и способа детонации. Как показано на фиг.5, материал 130 выполнен узким и длинным. В некоторых вариантах реализации отношение диаметра 308 к длине 306 составляет от 0,4 до 0,8. В некоторых вариантах реализации диаметр 308 может составлять от 0,05 до 0,09 дюймов (11-23 мм), в зависимости от размера кумулятивного заряда. Для подрыва материала 130 обычно используют детонирующий шнур, поэтому точка детонации находится не на исходной точке 202, а на точке 300 эксцентриситета. После того, как ударная волна 302 достигает поверхности 208, она становится плоской и перпендикулярна оси 170 симметрии. Таким образом можно достигнуть концентричности детонационной волны. Соответственно, можно выбрать такое значение длины 306, которое обеспечит концентричность детонационной волны.
[0019] Как показано на фиг.3 и 4, верхушка 150 облицовки 120 сформирована так, что ее профиль толще профиля примыкающих участков облицовки 120. В одном варианте реализации расстояние между точкой 212 и точкой 222 превосходит профиль любого участка облицовки 120. Таким образом, масса материала в верхушечной части 150 больше массы материала в верхушечных частях облицовок традиционных кумулятивных зарядов. Соответственно, скорость, развиваемая этим материалом в верхушечной части 150, меньше, чем в случаях использования облицовок традиционных кумулятивных зарядов. Следует понимать, что относительно небольшие увеличения относительных значений толщины, например на пять или на десять процентов больше значений толщин примыкающих участков, могут быть недостаточными для обеспечения достаточной массы с целью уменьшения скорости материала в верхушечной части. Толщина верхушки предпочтительно должна быть по меньшей мере на пятьдесят процентов больше толщины примыкающих к ней участков облицовки 120. В некоторых вариантах реализации профиль верхушки по меньшей мере на сто процентов толще профиля примыкающих к ней участков облицовки 120.
[0020] В соответствующем аспекте варианта реализации для формирования облицовки 120 используют пористый материал. Благодаря относительно большой толщине верхушки 150, при формировании облицовки 120 можно использовать большее давление. Увеличение давления приводит к увеличению плотности в верхушке 150. Таким образом, плотность в районе точек 220 и 224 может быть больше, чем плотность верхушки в облицовках традиционных кумулятивных зарядов. Другими словами, пористость материала в районе точек 220 и 224 меньше пористости материала облицовок традиционных кумулятивных зарядов. Кроме того, плотность материала в верхушке 150 больше, чем плотность других участков облицовки 120. Иначе говоря, пористость материала в верхушке 150 меньше пористости материала в других участках облицовки 120.
[0021] Таким образом, распределение материала инициирующего заряда, масса верхушки и плотность материала в верхушке, рассматриваемые по отдельности или в сочетании, заставляют ударную волну достичь точек 220 и 224 раньше, чем точки 222. Следовательно, ударная волна заставит материал в точках 220 и 224 достичь точку 232 раньше, чем материал в точке 222 достигнет точки 232. Иными словами, эти процессы позволяют уменьшать или устранять обратный градиент скорости.
[0022] На фиг.6 в графическом виде показаны результаты компьютерного моделирования для традиционного кумулятивного заряда, а также для предлагаемого кумулятивного заряда, изготовленного в соответствии с одним вариантом реализации. Посредством линии 350 показана зависимость осевой скорости от расстояния для традиционного кумулятивного заряда, посредством линии 352 показана зависимость осевой скорости от расстояния для предлагаемого кумулятивного заряда. Как показано на фиг.6, предлагаемый кумулятивный заряд имеет более высокую концевую осевую скорость и, по сравнению с традиционным кумулятивным зарядом, достигает более дальней точки вдоль оси за одно и то же время. Как показано на фиг.6, предлагаемый кумулятивный заряд может иметь более длинный факел, чем кумулятивный заряд традиционной конструкции.
[0023] При использовании кумулятивного заряда вышеописанной конструкции для детонации взрывчатых материалов 130 и 160 требуется меньшая масса взрывчатых веществ по сравнению с традиционными кумулятивными зарядами и обеспечивается возможность использования взрывчатых веществ в основном взрывчатом заряде 110 в большем количестве. Таким образом, для формирования перфорирующего факела с использованием материала облицовки может быть затрачено больше кинетической энергии.
[0024] Варианты реализации настоящего изобретения могут быть использованы в сочетании с оболочкой обычной конструкции. На фиг.7 показан кумулятивный заряд 400, содержащий оболочку 410, облицовку 420 и взрывчатый материал 430. Обратный градиент оказывается нейтрализованным за счет использования расширенной верхушечной части 422. Как было указано выше, верхушечная участок 422 охарактеризован (i) тем, что его толщина больше, чем толщина других участков облицовки 420, и (ii) тем, что его плотность больше, чем плотность других участков облицовки 420, или и тем, и другим. Оболочка 410 не содержит выемки, которая аналогична выемке 254, изображенной на фиг.4.
[0025] Следует учитывать, что для формирования кумулятивных зарядов могут быть использованы новые способы изготовления в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения. Материал облицовки может быть выбран из широкого диапазона металлических порошков или их смесей. В общем, могут быть выбраны металлические порошки, имеющие высокую плотность, высокую температуру плавления и высокую общую скорость распространения звука. В качестве основного компонента может быть выбран тяжелый порошок, например вольфрамовый порошок, а также могут быть выбраны порошки таких металлов, как свинец, медь, молибден, алюминий; кроме того, в качестве связующего можно использовать небольшое количество графитового порошка.
[0026] На фиг.8 изображен перфоратор 300, размещенный в скважине 302. Кумулятивные заряды 304 вставлены в трубу 306, содержащую заряд, и закреплены в ней. Кумулятивные заряды 304 содержат облицовку, имеющую расширенную верхушку и/или верхушку, которая имеет относительно высокую плотность, такую как показано на фиг.3 и 7. Детонирующий шнур или запальный шнур 308 известным способом соединен с кумулятивными зарядами 304. Труба 306 с прикрепленными кумулятивными зарядами 304 вставлена в трубчатый носитель 310. Для специалиста очевидно, что вместе с перфоратором 300 может быть использована любая подходящая система, вызывающая детонацию. Перфоратор 300 доставляют в скважину 302 с помощью доставляющего устройства, подвешенного к буровой платформе или другой платформе на поверхности (не показано). Для доставки перфоратора 300 в скважину 302 используют соответствующее доставляющее устройство, содержащее гибкую насосно-компрессорную трубу, бурильную трубу, канат, трос или другую подходящую рабочую колонну для обеспечения возможности размещения и поддержки по меньшей мере одного перфоратора 300 в скважине 302. В некоторых вариантах реализации в качестве доставляющего устройства может быть использовано самодвижущееся тяговое устройство и т.п., выполненное с возможностью перемещения вдоль скважины. В некоторых вариантах реализации использованы последовательно присоединенные перфораторы; на фиг.8 такой последовательно присоединенный перфоратор 314 показан пунктирными линиями.
[0027] В соответствии с фиг.2, 3, 7 и 8 в процессе работы перфоратор 300 доставляют в скважину 302 и размещают вблизи пласта 316, предназначенного для перфорирования. После детонации ударные волны проходят через облицовку в и формируют в нем перфорирующий факел. Увеличенная верхушка, которая может быть выполнена более плотной, чем примыкающий участок облицовки, предпочтительно формирует тот участок факела, скорость которого не больше скорости остальной части факела. Иными словами, в факеле поддерживается нулевой или положительный градиент скорости. Таким образом, факел сохраняет более связанную структуру и большую общую скорость, в результате чего возможно более глубокое проникновение в примыкающий пласт 316.
[0028] Приведенное выше описание относится к конкретным вариантам реализации предназначено для их иллюстрирования и разъяснения. Для специалиста очевидно, что возможна реализация вышеописанных модификаций без отступления от объема настоящего изобретения. В приведенной ниже формуле изобретения охвачены все указанные модификации.