УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГИЕЙ ВЗРЫВА В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ
DEVICE AND METHOD OF ENERGY CONTROL OF EXPLOSION IN WELL BORE

Настоящее изобретение относится в целом к перфораторам, используемым в скважинах, и более конкретно, к устройству и способу для управления энергией взрыва заряда взрывчатого вещества в скважинном перфораторе в стволе скважины.
Устройство, такое как скважинный перфоратор, может быть спущено в скважину и детонировано для создания разрывов в прилегающем пласте. После детонации скважинного перфоратора текучая среда протекает обычно в скважину и на поверхность через насосно-компрессорную трубу, расположенную внутри скважины.
Обычно скважинные перфораторы, включающие корпуса перфоратора и кумулятивные заряды, установленные на/в корпусах перфоратора, спускаются через насосно-компрессорные трубы или другие трубы к требуемому интервалу скважины. Кумулятивные заряды, которые несет скважинный перфоратор, часто взрываются в нескольких направлениях по окружности ствола скважины. После взрыва кумулятивные заряды создают перфорационные струи, которые формируют отверстия в окружающей колонне, а также углубляют перфорационные каналы в окружающий пласт.
Может потребоваться управлять количеством энергии, например уменьшить или сфокусировать, выделенной зарядом взрывчатого вещества. Например, в некоторых случаях может быть целесообразным прорвать корпус перфоратора (или другую пустотелую камеру или герметичную полость) без вскрытия окружающей колонны и/или вскрытия скважинного пласта.
Известно устройство для управления энергией взрыва в стволе скважины, содержащее заряд взрывчатого вещества и, по меньшей мере, один элемент, способный влиять на энергию взрыва, выделяемую зарядом взрывчатого вещества после детонации (см., например, патент России 6408 U1, 16.04.98).
Целью настоящего изобретения является создание устройства и способа, обеспечивающих эффективное управление энергией взрыва в стволе скважине.
Согласно изобретению создано устройство для управления энергией взрыва в стволе скважины, содержащее заряд взрывчатого вещества и, по меньшей мере, один элемент, способный влиять на энергию взрыва, выделяемую зарядом взрывчатого вещества после детонации, содержащий первую часть для поглощения энергии взрыва, имеющую первую толщину, и вторую часть для направления энергии взрыва, имеющую вторую толщину, превышающую первую толщину.
По меньшей мере, часть указанного элемента может состоять из хрупкого материала, выбранного из группы, состоящей из пластика, полимера, металла, целлюлозы и резины.
Указанный элемент может содержать стенки, формирующие, по меньшей мере, одну полость. Полость может быть предназначена для проведения энергии взрыва. Полость может иметь в целом цилиндрическую конфигурацию или коническую конфигурацию.
Заряд взрывчатого вещества может представлять собой кумулятивный заряд.
Указанный элемент может содержать крышку заряда.
Устройство может дополнительно содержать кожух для установки заряда взрывчатого вещества и элемента в скважинный перфоратор.
Устройство может дополнительно содержать оболочку, образующую углубленную область, а указанный элемент содержит крышку заряда, имеющую первую часть и вторую часть и, по меньшей, мере частично расположенную в углубленной области.
Крышка заряда может содержать первую поверхность, обращенную к углубленной области, и вторую поверхность, обращенную от углубленной области и по существу расположенную на одном уровне с внешним ободом стенки оболочки заряда, определяющим внешний периметр углубленной области.
Указанный элемент может содержать крышку заряда, имеющую первую и вторую части и являющуюся по существу плоской.
В другом варианте выполнения устройство для управления энергией взрыва в стволе скважины содержит заряд взрывчатого вещества для размещения в скважинном перфораторе и, по меньшей мере, один элемент, способный влиять на энергию взрыва, выделяемую указанным зарядом взрывчатого вещества после детонации, имеющий стенки, формирующие, по меньшей мере, одну полость для направления энергии взрыва, размещенный между зарядом взрывчатого вещества и скважинным перфоратором и содержащий первую часть для поглощения энергии взрыва, имеющую первую толщину, и вторую часть для направления энергии взрыва, имеющую вторую толщину, превышающую, первую толщину.
По меньшей мере, часть указанного элемента может состоять из хрупкого материала, выбранного из группы, состоящей из пластика, полимера, металла, целлюлозы и резины.
Полость может иметь в целом цилиндрическую конфигурацию или коническую конфигурацию.
Согласно изобретению создан также способ управления энергией взрыва в стволе скважины, включающий следующие этапы:
использование скважинного перфоратора, содержащего, по меньшей мере, один заряд взрывчатого вещества;
размещение между, по меньшей мере, одним зарядом взрывчатого вещества и скважинным перфоратором, по меньшей мере, одного элемента, способного влиять на энергию взрыва, выделяемую зарядом взрывчатого вещества после детонации, и содержащего первую часть для поглощения энергии взрыва и вторую часть для направления энергии взрыва;
детонация, по меньшей мере, одного заряда взрывчатого вещества.
Указанный элемент может содержать стенки, формирующие, по меньшей мере, одну полость для направления энергии взрыва.
Крышка заряда может содержать первую поверхность, обращенную к углубленной области, и вторую поверхность, обращенную от углубленной области, и при, по меньшей мере, частичном размещении крышки заряда в углубленной области располагают крышку так, что вторая поверхность расположена по существу на, одном уровне с внешним ободом стенки оболочки заряда, определяющим внешний периметр углубленной области.
Из вышеописанного ясно, что настоящее изобретение предлагает устройство, способное влиять на энергию взрыва во время его использования в стволе скважины. В одном варианте воплощения крышка или другой препятствующий элемент могут быть размещены непосредственно рядом с зарядом взрывчатого вещества перед детонацией. Размер и расположение элемента относительно заряда взрывчатого вещества могут варьироваться для достижения оптимальной ориентации взрыва.
Элементом, используемым в настоящем изобретении, может быть кольцо, имеющее сквозное отверстие для направления энергии взрыва заряда после детонации. Далее, крышка заряда может включать участок, имеющий более тонкую стенку, чем остальная часть крышки. В процессе работы более толстая часть крышки поглощает часть энергии взрыва заряда и более тонкая часть (или отверстие) пропускает/направляет энергию взрыва. Точная толщина «поглощающего» объема крышки и толщина «пропускающего» объема крышки могут быть определены и выбраны для достижения конкретного результата.
Более полная оценка изобретения и многих из его сопутствующих преимуществ будет ясна из следующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 представляет увеличенный разрез варианта воплощения кумулятивного заряда;
фиг.2А - вертикальный разрез варианта воплощения скважинного перфоратора;
фиг.2В - поперечный разрез варианта скважинного перфоратора, изображенного на фиг.2А;
фиг.3 - вид сбоку варианта воплощения колонны скважинных перфораторов, спущенной в обсаженный ствол скважины;
фиг.4А - вид сбоку варианта воплощения колонны скважинных перфораторов, детонированной в обсаженном стволе скважины;
фиг.4В - вид сбоку варианта воплощения колонны скважинных перфораторов, детонированной в открытом стволе скважины;
фиг.5А-6В - поперечные разрезы нескольких вариантов воплощения скважинного перфоратора по настоящему изобретению.
Однако необходимо отметить, что приложенные чертежи иллюстрируют только типовые варианты воплощения данного изобретения и тем самым не должны рассматриваться как ограничивающие его объем, поскольку изобретение может допускать другие, в равной степени эффективные, варианты воплощения.
В следующем ниже описании изложено множество деталей для обеспечения понимания настоящего изобретения. Однако специалисты в данной области техники должны понимать, что настоящее изобретение может быть применено на практике без этих деталей и что возможно множество вариантов и модификаций описанных вариантов воплощения.
В описании и прилагаемой формуле изобретения следующие используемые термины: «соединять», «соединение», «соединенный», «соединенный с» и «соединяющий» означают «непосредственно соединенный с» или «соединенный через другой элемент»; «комплект» означает «один элемент» или «больше чем один элемент». Термины «верх» и «низ», «выше» и «ниже», «вверх» и «вниз», «вверх по потоку» и «вниз по потоку»; «выше» и «ниже» и другие подобные термины, обозначающие относительные позиции выше или ниже заданной точки или элемента, используются в данном описании, чтобы более ясно описать некоторые варианты воплощения изобретения. Однако при их использовании по отношению к оборудованию и способам, применяемым в искривленных или горизонтальных скважинах, такие термины могут обозначать слева направо, справа налево, или другое взаимное расположение в зависимости от ситуаций.
Кумулятивный заряд 10, как показано на фиг.1, включает внешнюю оболочку 12, которая действует как защитная оболочка. Обычные материалы для внешней оболочки 12 включают сталь или какой-либо другой металл. Основной заряд 16 взрывчатого вещества содержится внутри внешней оболочки 12 и размещен между внутренней стенкой внешней оболочки 12 и внешней удерживающей поверхностью 20. Запальный столбик 14 - это чувствительная зона, которая обеспечивает детонационную связь между основным зарядом 16 взрывчатого вещества и детонационным шнуром 15, который прикреплен к задней части кумулятивного заряда 10.
Для детонации кумулятивного заряда 10 детонационная волна, движущаяся через детонационный шнур 15, при прохождении мимо запального столбика 14 инициирует его, запальный столбик 14 в свою очередь инициирует детонацию основного заряда 16 взрывчатого вещества, чтобы создать детонационную волну, которая вытесняется через кумулятивный заряд 10.
Ряд кумулятивных зарядов 10, как показано на фиг.2, могут быть доставлены внутрь скважины корпусным перфоратором 30. Кумулятивные заряды 10 могут быть безкапсюльными зарядами, так как кумулятивные заряды защищены от внешней среды корпусом 30 перфоратора, который обычно герметичен. Корпус 30 перфоратора может также включать ряд выемок 32, сформированных во внешней стенке. Выемки 32 - это обычно локализованные участки, где толщина стенки корпуса 30 уменьшена, чтобы оптимизировать функционирование всей системы. Внутри корпуса 30 размещена загрузочная труба 40. Загрузочная труба 40 включает ряд близко расположенных отверстий 42, предназначенных для размещения и установки кумулятивных зарядов 10. Отверстия 42 загрузочной трубы 40 обычно расположены на одной оси с выемками 32 корпуса 30.
Группы корпусных перфораторов 50А и 50В, как показано на фиг.3, могут быть собраны вместе, чтобы сформировать колонну 50 скважинных перфораторов, имеющую требуемую длину. Например, длина каждого перфоратора (50А и 50В, соответственно) может быть около двадцати футов. Для изготовления колонны 50 скважинных перфораторов длиной в несколько сотен футов или более несколько перфораторов могут быть соединены вместе в группы с помощью переходников 52. Каждый из переходников 52 содержит элемент баллистического переноса, который может быть в форме донорного и реципиентного промежуточного заряда взрывчатого вещества. Баллистический перенос происходит от одного перфоратора к другому, когда детонационная волна проходит с донорного промежуточного заряда к реципиентному промежуточному заряду. На конце реципиентного промежуточного заряда имеется детонационный шнур, который передает волну и подрывает кумулятивные заряды в следующем перфораторе. Примеры взрывчатых веществ, которые могут быть использованы в различных взрывчатых элементах (например, кумулятивные заряды 10, детонационный шнур 15, промежуточные заряды), включают гексоген, октоген, гексанитростильбен, триаминотринитробензол и другие.
Обычно после сборки колонна 50 перфораторов размещается в обсаженном колонной 62 стволе скважины 60. Насосно-компрессорная труба или другая труба 64 идут внутрь колонны 62 для обеспечения прохождения скважинных текучих сред до оборудования устья скважины (не показано). Часть ствола 60 скважины изолирована пакерами 66, установленными между наружной стороной насосно-компрессорной трубы 64 и внутренней стороной колонны 62. Колонна 50 скважинных перфораторов может быть спущена через насосно-компрессорную трубу или другую трубу 54 на несущем тросе 70 (например, каротажный кабель, тросовый канат, гибкая, труба). После размещения в заданном интервале в стволе скважины колонна 50 перфораторов взрывается для создания перфорационных отверстий в окружающей колонне и пласте (как показано на фиг.4А).
В другом варианте воплощения, как показано на фиг.4В, колонна 50 перфораторов включает один или несколько герметичных корпусов 30. В других вариантах воплощения колонна 50 перфораторов может включать один или несколько герметичных камер (или других герметичных полостей), в каждой из которых размещены один или несколько зарядов взрывчатого вещества. Давление внутри корпуса 30 перфоратора ниже, чем давление в намеченном интервале ствола скважины. Колонна 50 герметичных перфораторов размещена в открытом стволе 100 скважины. Колонна 50 скважинных перфораторов может быть спущена через открытый ствол 100 скважины на несущем тросе 70 (например, каротажный кабель, тросовый канат или гибкая труба). После размещения на требуемом интервале ствола скважины колонна 50 перфораторов взрывается для создания отверстий или разрывов в герметичном корпусе 30, при этом по существу не нанося повреждений окружающей среде. После детонации одного или нескольких зарядов взрывчатого вещества и последующего образования разрыва в корпусе 30 формируется волна жидкости по направлению к корпусу, тем самым в интервале ствола скважины создается временный перепад давления. Данный временный перепад давления может быть использован для очистки перфорационных туннелей в окружающем пласте для устранения фильтрационной корки со стенок ствола скважины или же устранения обломков из интервала ствола скважины.
В других вариантах воплощения колонна 50 герметичных скважинных перфораторов может быть размещена в обсаженном стволе скважины и может использоваться для одновременной перфорации герметичных корпусов и колонны для создания временного перепада давления, чтобы волной очистить перфорационные каналы в пласте и удалить обломки ствола скважины в намеченном интервале скважины. Это эффективно увеличивает продуктивность скважины.
Выделенная энергия взрыва и результирующая перфорация, полученные посредством детонации перфораторов, рассмотренной выше, может быть функцией физического размера и геометрического расположения зарядов взрывчатого вещества. Вариант воплощения настоящего изобретения направлен на управление выделением энергии взрыва.
Как показано на фиг.5А-5В, крышка или другой препятствующий элемент 80 могут быть размещены непосредственно рядом с зарядом 10 для поглощения части энергии. Размер и конкретное размещение крышки 80 относительно заряда 10 могут быть определены для достижения оптимальных характеристик взрыва для выбранного результата. Например, посредством управления выделением энергии взрыва заряда объем обломков, выбрасываемых в ствол скважины, и избыточная деформация скважинного перфоратора могут быть ограничены.
Крышка 80 заряда по настоящему изобретению может также использоваться для направления или же фокусирования выделения энергии взрыва, чтобы достичь конкретного результата. Например, крышка 80 может иметь такой размер и быть размещена для фокусировки энергии взрыва в заряде таким образом, чтобы разрушить обломки на достаточно малые фрагменты, которые не уменьшают продуктивность скважины.
Крышка 80 заряда по настоящему изобретению может использоваться при различных перфорационных или других взрывных скважинных работах. Например, крышка 80 заряда может использоваться для направления и управления энергией взрыва, выделенной зарядами в обычном скважинном перфораторе 30, используемом для перфорации пласта и/или колонны и пласта. В другом примере крышка заряда может использоваться для направления и управления энергией взрыва, выделенной зарядами в герметичной камере (например, корпус перфоратора или другая герметичная полость), таким образом, чтобы образовать разрывы в камере, но не повредить окружающую колонну. Таким образом, заряды могут использоваться для создания временного перепада давления для очистки перфорационного канала от обломков.
Фиг.5A и 5В иллюстрируют варианты воплощения крышки (80) заряда по настоящему изобретению, соединенной с кумулятивным зарядом 10. Крышка заряда или другой препятствующий элемент могут быть сконструированы таким образом, чтобы их можно было вставить без зазора между ответвлениями 10А заряда 10 взрывчатого вещества. Данный вариант воплощения настоящего изобретения идеален для использования с кумулятивными зарядами, которые могут быть установлены относительно плотно во внутреннем отделении загрузочной трубки 40.
В одном варианте воплощения крышка заряда по настоящему изобретению имеет секцию 88А, предназначенную для поглощения энергии взрыва, и другую секцию 88D, предназначенную для пропускания и/или направления энергии взрыва. В одном варианте воплощения секция 88А крышки 80 заряда, предназначенная для поглощения энергии взрыва, сконструирована таким образом, чтобы взаимодействовать с внутренней поверхностью 101 одного или нескольких ответвлений 10А заряда взрывчатого вещества. В одном варианте воплощения секция 88D, предназначенная для пропускания и/или направления энергии взрыва, формирует центральный участок крышки заряда.
В одном варианте воплощения секция 88А крышки заряда, предназначенная поглощать энергию взрыва, может состоять из относительно толстого и/или плотного материала, наиболее подходящего для поглощения энергии взрыва. Далее, секция 88D крышки заряда, предназначенная пропускать и/или направлять энергию взрыва, может состоять из более тонкого и/или менее плотного материала, чем тот, который используется для поглощающей секции 88А. Таким образом, крышка заряда позволяет максимально эффективно использовать энергию взрыва после детонации. Точная толщина и/или плотность каждой секции (88А и 88D, соответственно) крышки заряда могут быть определены и выбраны, чтобы достичь любого числа требуемых результатов.
В одном варианте воплощения одна или несколько стенок 82 крышки заряда могут сформировать одну или несколько полостей 84, которые могут направить энергию взрыва. Такие полости могут иметь любое число ориентаций и/или конфигураций, предназначенных для достижения конкретных результатов. Например, одна или несколько полостей, предусмотренных настоящим изобретением, могут иметь в целом коническую или цилиндрическую конфигурацию, предназначенную направлять энергию взрыва конкретным способом. Понятно, что данные конфигурации являются только примерами и не могут являться ограничительными. Кольцевой элемент, имеющий сквозное отверстие, может также использоваться для направления энергии взрыва заряда после детонации.
Фиг.6А и 6В иллюстрируют варианты воплощения крышки 80 заряда, соединенной с кумулятивным зарядом 10. В данных вариантах воплощения кумулятивный заряд и крышка заряда установлены в кожухе 86 для вставки в загрузочную трубку 40. Загрузочная трубка может вмещать ряд кумулятивных зарядов 10, каждый из которых имеет крышку 80 заряда. Загрузочная труба вставляется в корпус 30 перфоратора. Корпус 30 перфоратора может иметь дугообразную выемку 32, сформированную на внешней поверхности для выравнивания с каждым кумулятивным зарядом 10.
В одном варианте воплощения крышка 80 заряда по настоящему изобретению сконструирована таким образом, чтобы взаимодействовать с внешними поверхностями 102 ответвлений 10А заряда 10 взрывчатого вещества. Крышка заряда может использоваться совместно с кожухом 86, чтобы удобно установить комплект крышка заряда/заряд/кожух внутри загрузочной трубки. Данный признак настоящего изобретения позволяет успешно устанавливать меньшие заряды взрывчатого вещества внутри загрузочных трубок, имеющих большие диаметры. Как было рассмотрено выше, настоящее изобретение может использовать столько вариантов размещения и/или конфигурации крышки заряда, сколько необходимо для достижения конкретного результата. Далее, толщина и/или плотность материалов, составляющих каждую секцию крышки заряда, может варьироваться. Кольцевой элемент, имеющий сквозное отверстие, может также использоваться для направления энергии взрыва заряда после детонации, как было рассмотрено выше.
В некоторых вариантах воплощения крышка 80 заряда может быть изготовлена из материала, который остается целым в достаточной мере, чтобы крышка не вышла через разрывы в перфораторе. Таким образом, крышка может быть убрана из скважины вместе с перфоратором и не влияет на продуктивность скважины. В других вариантах воплощения крышка 80 заряда может быть изготовлена из очень хрупкого материала, такого, что крышка разламывается на достаточно малые фрагменты, чтобы не влиять на продуктивность скважины, даже если фрагменты выходят из перфоратора. Например, крышка заряда может быть изготовлена из пластика, полимера, металла, целлюлозы, резины или других подходящих материалов.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на определенные варианты воплощений, данное описание не предназначено для рассмотрения в ограничительном смысле. Различные модификации раскрытых вариантов воплощения, так же как другие варианты воплощения изобретения, станут очевидными специалистам в области техники при обращении к описанию изобретения. Поэтому предполагается, что прилагаемая формула изобретения охватывает такие модификации, которые находятся в пределах объема изобретения.