УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВСКРЫТИЯ И ОБРАБОТКИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
DEVICE FOR OPENING AND TREATMENT OF BOTTOMHOLE ZONE OF OIL WELLS

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для комплексной перфорации и обработки призабойной зоны скважин.
Известно устройство для вскрытия и обработки призабойной зоны скважин, включающее корпусной кумулятивный перфоратор с головкой, корпусом с загерметизированными боковыми отверстиями, кумулятивными зарядами, наконечником перфоратора и дополнительным герметичным корпусом - воздушной (имплозионной) камерой с атмосферным давлением между корпусом и головкой перфоратора [Патент РФ №2075593, опубл. 20.03.97, бюл. №8].
В устройстве корпусной перфоратор, кроме основной функции - вскрытия пласта, одновременно играет роль заглушки-диафрагмы имплозионной камеры, раскрывающейся при срабатывании кумулятивных зарядов. Предполагается, что устройство позволяет выполнить две операции - вскрытие пласта путем образования каналов от кумулятивного перфоратора, за которой следует операция очистки каналов и пор пласта от загрязнений за счет имплозионного эффекта, а также развитие имеющихся и образование новых трещин в результате последующего гидравлического удара. Совмещение двух операций в одном устройстве позволяет сократить сроки освоения скважины, повысить производительность работ. К недостаткам известного устройства для вскрытия и обработки призабойной зоны скважин следует, во-первых, отнести то, что корпус перфоратора и воздушная камера соединены между собой. В результате, после срабатывания кумулятивных зарядов, энергия ударной волны расходуется на пробитие отверстий (каналов) в стенке обсадной колонны и породе пласта и одновременно распространяется внутрь воздушной камеры. Таким образом, энергия ударной волны рассеивается и используется неэффективно, а давление в имплозионной камере к моменту раскрытия загерметизированных отверстий будет повышенным по сравнению с первоначальным атмосферным. То есть снижается и глубина пробития каналов в пласте и эффективность имплозионного воздействия.
Указанный недостаток, предполагается устранить путем установки запорного элемента между воздушной камерой и корпусом перфоратора. Известны устройства, в которых запорный элемент в виде поршня фиксируется срезной шпилькой удаляемой после воздействия ударной волны от кумулятивных зарядов [Патент РФ №2183259, опубл. 10.06.02, бюл. №16, US Patent №3163112, 29.12.64]. Это позволяет несколько снизить прохождение ударной волны в имплозионную камеру, но полностью не устраняет проблему, так как после разрушения шпильки давление в камере все равно повышается. Также применение такого запорного элемента значительно усложняет конструкцию устройства.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению, является устройство для перфорации и обработки призабойной зоны скважины, в котором полость корпуса отделена от полости имплозионной камеры мембраной, разрушаемой, как заявлено авторами в формуле изобретения, при имплозийном воздействии [Заявка РФ №96107208, опубл. 20.07.98]. Фактически, мембрана играет роль запорного элемента и вполне очевидно удаляется в результате взрыва кумулятивных зарядов, так как давление ударной волны значительно выше последующего имплозионного воздействия. Указанные выше недостатки не устраняются и в устройстве-прототипе. Единственно, вследствие того что часть энергии взрыва расходуется на разрушение мембраны, повышение давления в имплозионной камере будет несколько меньшим, нежели при отсутствии разрушаемого запорного элемента. Таким образом, каналы в породе пласта пробиваются не максимально возможной длины, а эффективность имплозионного воздействия снижена. Также необходимо каждый раз перед применением устройства подбирать мембрану определенной толщины для гарантированного разрушения в зависимости от количества и мощности кумулятивных зарядов. То есть, заранее в опытных условиях необходимо подобрать мембраны в зависимости от типов кумулятивных перфораторов, характеристик и количества применяемых в них зарядов. И, например, если один из зарядов по каким-либо причинам не сработает, мембрана также не разрушится.
Техническая проблема заключается в повышении эффективности работы устройства при упрощении его конструкции.
Техническая проблема решается тем, что устройство для вскрытия и обработки призабойной зоны нефтяных скважин, включает корпус с кумулятивными зарядами и с загерметизированными боковыми отверстиями, кабельную головку, переходник, воздушную камеру с атмосферным давлением, между камерой и корпусом размещен запорный элемент. Запорный элемент состоит из жестко закрепленного кольца и расположенного в выемке на его поверхности подвижного круга, который открывается в направлении корпуса под воздействием отраженной ударной волны от взрыва кумулятивных зарядов.
Предлагаемое устройство изображено на фигуре 1 и включает кабельную головку 1, соединенную с переходником 2. К переходнику присоединяется воздушная (имплозионная) камера 3. К камере с помощью муфты 16 присоединяется корпус перфоратора 4, он снаряжается кумулятивными зарядами 5, которые с помощью детонирующего шнура 6 образуют взрывную цепь. Кумулятивные заряды располагаются напротив соответствующих сквозных отверстий 7, предварительно загерметизированных опорным диском с уплотнителем 8. Взрывная цепь приводится в действие от взрывного патрона 9. Снизу корпус перфоратора снабжен герметичным наконечником 10. Между воздушной камерой и корпусом перфоратора жестко и герметично закреплено металлическое кольцо 11, на поверхности которого в кольцевой выемке со стороны полости корпуса перфоратора расположен металлический круг 12. Кольцо 11 и круг 12 образуют запорный элемент между камерой 3 и корпусом 4. Герметизация и крепление круга осуществляется с помощью уплотнительного резинового кольца 13. В круге также находится изолированный контакт 15 позволяющий соединить электрическую цепь от кабеля 14 к взрывному патрону 9.
0
1
0
Устройство работает следующим образом. Снаряженное в герметичном исполнении, с внутренним давлением равным атмосферному, устройство спускается на кабель-тросе в забой скважины таким образом, что корпус перфоратора устройства устанавливается напротив интервала обрабатываемого пласта. Затем с устья скважины подается электрический импульс к взрывному патрону, приводящий к срабатыванию кумулятивных зарядов перфоратора. Образующаяся ударная волна распространяется во все стороны и, соответственно, в сторону отверстий и запорного элемента. В первом случае это приводит к раскрытию сквозных отверстий в корпусе перфоратора, во втором - падающая ударная волна Р отражается от поверхности запорного элемента и меняет направление на противоположное. Схематично процесс показан на фигуре 2. При этом, согласно теории и экспериментальным данным, давление во фронте отраженной волны P примерно вдвое выше, чем в падающей Р [К.К. Андреев и А.Ф. Беляев. Теория взрывчатых веществ. Москва, «Оборонгиз», 1960, с. 367-375; У. Бейкер и др. Взрывные явления. Оценка и последствия. В 2-х книгах, книга 1. Москва, «Мир», 1986, с. 194-212.]. Таким образом, между отраженной и падающей ударными волнами образуется зона разрежения 1 или разности давлений, которая оказывает деформационное, растягивающее воздействие на запорный элемент, что вызывает движение подвижного круга в направлении пунктирных стрелок. В результате, подвижный круг сдвигается со своего посадочного места и открывает отверстие входа в воздушную (имплозионную) камеру. Отметим, что, несмотря на некоторую сложность описания механизма открытия запорного элемента, раскрытие отверстий и открытие запорного элемента происходит практически одновременно, с разницей в доли секунды за счет некоторой инерции в движении подвижного круга. Таким образом, ударная волна от взрыва зарядов полностью уходит в скважинную зону (расходуется на пробитие отверстий в породе пласта) и не оказывает влияния на давление в имплозионной камере. Далее после раскрытия отверстий в корпусе перфоратора и открытия запорного элемента, скважинная жидкость мгновенно устремляется с высокой скоростью внутрь корпуса и имплозионной камеры. За счет этого в интервале обработки создается резкое снижение давления - имплозия (депрессия), приводящая к тому, что пластовая жидкость вместе с загрязнениями, имеющимися и дополнительно возникающими при взрыве кумулятивных зарядов перфоратора в порах и каналах, с высокой скоростью устремляется в воздушную камеру. Это способствует очистке призабойной зоны пласта от загрязнений и повышению ее коллекторских свойств (проницаемости). Затем в результате встречного движения потоков жидкости из имплозионной камеры и скважины, в интервале обработки создается гидравлический удар, превышающий горное (пластовое) давление. В итоге происходит увеличение имеющихся и образование новых трещин и каналов в породе пласта, что приводит к повышению эффективности обработки скважины.
Таким образом, практически вся энергия от взрыва зарядов расходуется по прямому назначению - на пробитие отверстий в породе пласта, а эффект взаимодействия падающих и отраженных ударных волн используется с практической целью. При этом открытие запорного элемента входа в имплозионную камеру происходит в момент времени, когда ударная волна от взрыва уходит в скважину, а не в камеру, что позволяет провести дальнейшее имплозионное воздействие на пласт с максимальной эффективностью. Запорный элемент довольно прост по конструкции, является многоразовым в применении, что достигается необходимой прочностью его составных частей. Минимальная общая толщина кольца и подвижного круга задается не меньше толщины стенок корпуса перфоратора 4. Единственным расходным материалом является резиновое уплотнительное кольцо 13, которое подлежит замене после каждого применения устройства. Для надежной фиксации подвижного круга в процессе сборки и спуска устройства в скважину уплотнительное кольцо должно быть изготовлено из довольно плотной резины, например марки 1-ТКМЩ-С ГОСТ 7338-90. Следует отметить, что открытие запорного элемента происходит независимо от количества и мощности зарядов, так как механизм образования и взаимодействия падающих и отраженных ударных волн одинаков для любого вида и количества зарядов и, в данном случае, важно только наличие разности давлений в падающей и отраженной ударных волнах, которая вызывает растягивающие напряжения, приводящие к сдвигу и открытию подвижного круга. Упрощенно, образно можно сказать, что отраженная ударная волна тянет за собой подвижный круг.
Таким образом, предложенный в изобретении отличительный признак устройства, включающий:
- запорный элемент, в виде жестко закрепленного кольца и, расположенного в выемке на его поверхности, подвижного круга, который открывается в направлении корпуса перфоратора под воздействием отраженной ударной волны от взрыва кумулятивных зарядов,
позволяет повысить эффективность работы и упростить конструкцию устройства.
Работоспособность предлагаемого устройства для вскрытия и обработки призабойной зоны нефтяных скважин подтверждена результатами стендовых испытаний на установке, имитирующей скважинные условия. Установка представляет собой удлиненный сосуд высокого давления с внутренним диаметром 0,12 м и высотой 1,8 м, заполненный до определенного уровня водой и герметизированный крышкой. Регулированием высоты воздушного пространства над уровнем воды обеспечивается достижение величины рабочего давления в сосуде, не превышающего допустимое (100 МПа). В корпусе сосуда расположен датчик давления для непрерывной регистрации изменения давления во времени.
Опытный образец устройства выполнен с уменьшенными по длине (1:10) по сравнению с натуральными размерами и включает корпус перфоратора 4, снаряженный взрывной цепью из трех зарядов 5, воздушной камеры 3, размещенной между корпусом перфоратора и его головкой 2. Между воздушной камерой и корпусом размещен запорный элемент, состоящий из жестко закрепленного металлического кольца 11 имеющего кольцевую выемку со стороны корпуса перфоратора. В выемке с помощью уплотнительного резинового кольца 13 закреплен металлический круг 12. В опытном образце устройства заряды имеют массу по 7 г каждый, по форме и свойствам ВВ аналогичные штатному заряду перфоратора, но не имеющие кумулятивную выемку с целью предохранения корпуса установки от разрушения в результате воздействия кумулятивной струи.
Для сравнения параллельно проводились испытания образца устройства-прототипа, имеющего аналогичные характеристики, что и опытный образец предлагаемого устройства, но с жестко закрепленной разрушаемой мембраной (толщиной 0,0008 м) между корпусом перфоратора и воздушной камерой.
Опытный образец устройства с наружным диаметром 0,073 м и общей длиной 1,5 м в герметичном исполнении помещался в сосуд, который закрывался крышкой. Внутренний диаметр жестко закрепленного кольца составлял 0,038 м, диаметр подвижного круга 0,050 м, толщина 0,005 м, общая толщина запорного элемента 0,0095 м. В сосуде создавалось предварительное давление 1,0 МПа, затем производилось срабатывание перфоратора. В результате этого боковые отверстия 7 предварительно закрытые опорными дисками с уплотнителем 8, раскрывались и, одновременно, сдвигался с посадочного места в выемке подвижный круг, открывая отверстие входа в воздушную камеру. Далее создавался имплозионный эффект. С помощью датчика давления регистрировались величины создаваемых в области перфоратора устройства давлений ударной волны и депрессии (имплозии) а также значение последующего повышения давления в результате гидравлического удара.
Средние результаты испытаний по данным трех параллельных опытов приведены в таблице.
Результаты стендовых испытаний подтверждают работоспособность предлагаемого устройства в условиях имитирующих скважинные, а по показателям имплозионного эффекта и давления ударной волны взрыва зарядов и последующего гидравлического удара устройство, снабженное запорным элементом по предлагаемому изобретению, значительно превышает аналогичные характеристики устройства-прототипа.
Эти данные подтверждают высокую эффективность предлагаемого устройства при одновременной простоте его конструкции.