СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕХОДНИК, ПЕРФОРАТОРНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ПЕРФОРИРОВАНИЯ СКВАЖИНЫ
COUPLING ADAPTER, PERFORATING SYSTEM AND METHOD OF WELL PERFORATION

Притязание на приоритет
Настоящая заявка претендует на приоритет заявки US 11/444,881, поданной 01 июня 2006 г.
Область техники
Настоящее изобретение в общем относится к области нефте- и газодобычи. Более конкретно, настоящее изобретение относится к предохранительному клапану. Точнее, настоящее изобретение относится к предохранительному клапану для системы стреляющего перфоратора.
Уровень техники
Перфораторные системы, наряду с другими областями применения, используются для создания гидравлических соединительных проходов, называемых перфорационными каналами, в стволах скважин, пробуренных сквозь пласты породы, с тем, чтобы заранее определенные участки пластов могли быть гидравлически соединены со стволом скважины. Перфорационные каналы необходимы, поскольку стволы скважин обычно заканчивают коаксиальным введением труб или обсадных труб в ствол скважины. Обсадная труба фиксируется в стволе скважины закачиванием цементного раствора в кольцевое пространство между стволом скважины и колонной обсадных труб. Цементирование обсадной трубы в стволе скважины необходимо для гидравлической изоляции друг от друга различных пластов пород, вскрытых стволом скважины.
Типичный пример перфораторной системы 4 представлен на фиг.1. Показанная перфораторная система 4 содержит один или более стреляющих перфораторов 6, соединенных друг с другом с образованием связки 3 стреляющих перфораторов, причем длина такой связки стреляющих перфораторов может, иногда, обеспечивать перфорацию на участке более тысячи футов. Соединительные переходники 18 представляют собой промежуточные соединительные секции между соседними стреляющими перфораторами 6 в связке 3, обеспечивающие возможность их соединения между собой. Многие системы стреляющих перфораторов, особенно состоящие из длинных связок отдельных перфораторов, перемещаются в стволе скважины посредством трубы 5. В других случаях для установки системы может использоваться трос или тросовый канат (не показан).
В состав стреляющего перфоратора 6 входят кумулятивные заряды 8, обычно включающие корпус, облицовку и некоторое количество бризантного взрывчатого вещества, помещающегося между облицовкой и корпусом заряда. При детонации бризантного взрывчатого вещества образуются быстро расширяющиеся взрывчатые газы, сила которых разрушает облицовку и выталкивает ее с одного конца заряда 8 с очень высокой скоростью в виде т.н. "реактивной струи" 12. Реактивная струя 12 вскрывает колонну обсадных труб, цемент, и создает перфорационный канал 10, проходящий в окружающий пласт 2. Получившийся перфорационный канал 10 обеспечивает сообщение (связь текучей средой) между пластом 2 и внутренним пространством ствола 1 скважины. При отсутствии равновесия, когда давление пласта превышает давление в стволе скважины, флюиды пласта протекают из пласта 2 в ствол 1 скважины, в результате чего давление в стволе 1 скважины увеличивается.
Кроме этого, по мере охлаждения и сжатия взрывчатых газов, между внутренним пространством корпуса 14 стреляющего перфоратора и стволом 1 скважины образуется большой перепад давления. Этот перепад давления, в свою очередь, приводит к засасыванию флюида из ствола скважины через проемы 16 стреляющего перфоратора внутрь его корпуса 14.
На фиг.2а и 2б показана часть связки 3 перфораторов для иллюстрации деталей конструкции переходника 18, расположенного между двумя стреляющими перфораторами 6. Видно, что соединительный переходник 18 с каждого его конца имеет выступающий элемент 19, форма которого обеспечивает сопряжение с соответствующим гнездом на конце каждого стреляющего перфоратора 6. Перфораторы 6 показаны прикрепленными к соединительным переходникам 18 посредством резьбы 23, выполненной на внутренней поверхности указанных гнезд и наружной поверхности выступающего элемента 19.
Также внутри связки перфораторов расположен детонационный шнур 20, представляющий собой средство инициирования/детонации кумулятивного заряда 8. Детонация кумулятивного заряда 8 достигается активизацией детонационного шнура 20, который, в свою очередь, создает ударную волну, запускающую детонацию взрывчатого вещества кумулятивного заряда 8.
Обычно ударная волна инициируется в детонационном шнуре 20 на его верхнем конце (т.е., ближайшем к поверхности 9) и распространяется вниз по связке 3 перфораторов. Для обеспечения распространения ударной волны к каждому отдельному перфоратору 6, входящему в связку 3 перфораторов, в каждом переходнике 18 также имеется отрезок детонационного шнура 20. Отрезок детонационного шнура 20 в соединительном переходнике 18 помещен в его полости 22. На конце каждого отрезка детонационного шнура 20 имеются передаточные заряды 24 для обеспечения прохождения ударной волны от конца корпуса 6 одного стреляющего перфоратора к отрезку детонационного шнура 20 в соединительном переходнике 18, от соединительного переходника 18 к следующему корпусу 6 соседнего перфоратора и так далее. При передаче ударной волны передаточными зарядами 24 создаются проходы 26 между корпусами 6 стреляющих перфораторов и соединительным переходником 18. Как показано на фиг.2б, кумулятивный заряд 8 детонирует под воздействием ударной волны, создаваемой детонационным шнуром 20. Детонация кумулятивного заряда 8, в свою очередь, открывает проем 16, через который внутрь корпуса 14 перфоратора поступает поток флюида из ствола 1 скважины. Аналогично, передаточные заряды 24 под воздействием ударной волны, возбуждаемой детонационным шнуром, создают проход 26, образующий канал для потока флюида между внутренними пространствами корпусов 6 стреляющих перфораторов и полостью 22 соединительного переходника. Соответственно, в полости 22 действует давление ствола скважины, возникающее там под воздействием ударной волны детонационного шнура. Часто осколки, находящиеся в флюиде в стволе скважины, могут заноситься с ним в полость 22. При извлечении системы 4 перфораторов из ствола 1 скважины полости 22 занимают вертикальное положение, что дает возможность осколкам накапливаться в проходах 26 и закупоривать их, в результате чего скважинный флюид может остаться внутри соединительного переходника 18. Поскольку давление флюида в стволе скважины зачастую превосходит 1000 фунтов на кв. дюйм, это запертое давление может представлять опасность для обслуживающего персонала при разборке связки 3 перфораторов. Поэтому существует необходимость в создании устройства, в котором исключена возможность возникновения запертого давления в соединительном переходнике 18.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагается соединительный переходник, содержащий корпус, элемент создания давления внутри корпуса и (отводной) клапан, функционально связанный с элементом создания давления, причем клапан селективно открывается при активизации элемента создания давления. Соединительный переходник может также содержать полость внутри корпуса. Когда клапан находится в открытом положении, он обеспечивает сообщение между полостью и наружной стороной корпуса (внешним пространством его окружающим). В клапан может быть вставлен разрушаемый элемент. Элемент 30 создания давления может содержать детонационный шнур. Элемент создания давления может также включать элемент создания ударной волны, например детонационный шнур, или горючий материал, например реактивное топливо.
Соединительный переходник, в одном варианте осуществления, имеет первый конец, второй конец, стреляющий перфоратор, который может быть прикреплен к первому концу, элемент создания ударной волны, расположенный внутри стреляющего перфоратора, первый передаточный заряд, который может быть объединен с элементом создания ударной волны соединительного переходника, и второй передаточный заряд, который может быть объединен с элементом создания ударной волны стреляющего перфоратора. Второй стреляющий перфоратор может быть присоединен посредством соединительного переходника, который может быть прикреплен ко второму концу, причем элемент создания ударной волны располагается внутри второго стреляющего перфоратора, третий передаточный заряд может быть объединен с элементом создания ударной волны соединительного переходника, а четвертый передаточный заряд может быть объединен с элементом создания ударной волны второго стреляющего перфоратора. Также в соединительном переходнике может использоваться стопорное кольцо, соединенное с корпусом и с клапаном.
Соединительный переходник может также содержать соединительный элемент, присоединенный к элементу создания ударной волны. Соединительный элемент может представлять собой отверстие, предназначенное для установки в него элемента создания ударной волны, крючковидный элемент или расположенные против друг друга элементы, между которыми может быть помещен элемент создания ударной волны.
В настоящем изобретении также раскрывается способ обеспечения безопасного дренажа скважинного инструмента. Способ включает установку разрушаемого элемента в скважинном инструменте, активизацию вещества, создающего давление, при этом в результате активизации вещества, создающего давление, прорывается разрушаемый элемент и создаются отверстия в стенке скважинного инструмента для обеспечения сообщения между внутренней и наружной поверхностями скважинного инструмента. Вещество, создающее давление, может представлять собой детонационный шнур, реактивное топливо, а также их комбинации.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 представлен вид сбоку, с частичным вырезом, перфораторной системы;
на фиг.2а представлен вид, с частичным вырезом, части связки перфораторов;
на фиг.2б изображен частичный вырез части связки перфораторов;
на фиг.3 представлен вид сбоку, с частичным вырезом, сегмента связки перфораторов, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия;
на фиг.4 представлено перспективное изображение разреза клапана;
на фиг.5 представлен вид сбоку, с частичным вырезом, сегмента связки перфораторов в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.
Предпочтительный варианты осуществления изобретения
Устройство, в соответствии с настоящим раскрытием, содержит предохранительный клапан для сброса давления флюида в скважинном инструменте. На фиг.3 иллюстрируется один из примеров скважинного инструмента с клапаном. Более конкретно, показанный вариант осуществления представляет собой сегмент связки 31 перфораторов, включающий соединительный переходник 28 и корпуса 32 стреляющих перфораторов, причем корпуса перфораторов расположены по обоим концам соединительного переходника 28. В варианте осуществления, соединительный переходник 28, показанный на фиг.3, имеет корпус 39, внутри которого образована полость 48, и конфигурацию, обеспечивающую его стыковку на концах со стреляющими перфораторами 32. В одном из примеров, соединительные средства содержат резьбы 41, сделанные на наружной поверхности концов корпуса 39 и предназначенные для стыковки с соответствующими резьбами на внутренней окружности концов корпусов 32 перфораторов. В стенке соединительного переходника 28 имеется углубление 35, проходящее от наружной поверхности соединительного переходника 28 в полость 48, находящуюся внутри корпуса переходника. В то время как углубление 35 показано расположенным по существу перпендикулярно оси соединительного переходника 28, этой конфигурацией конструкция не ограничена, и углубление может быть расположено под любым углом к наружной поверхности соединительного переходника 28 и полости 48. В варианте осуществления соединительного переходника 28, показанном на фиг.3, полость 38 герметична и не имеет сообщения ни с корпусами 32 перфораторов, ни с наружной поверхностью переходника. Перегородки 55, 56 на стыкующихся концах соединительного переходника 28 и корпусах 32 перфораторов выполнены из жесткого, не имеющего пор материала и, поэтому, образуют препятствие для протекания флюида. Кроме того, как показано более подробно ниже, наличие клапана 34 в углублении 35 предотвращает протекание через него потока флюида, когда клапан 34 находится в закрытом положении.
Конфигурация углубления 35, выполненного в соединительном переходнике 28, обеспечивает установку в него клапана 34. Показанный клапан 34 имеет корпус 38 в целом кольцевой конфигурации. Вариант осуществления клапана 34 иллюстрируется видом сечения, показанным на фиг.4. Клапан 34 в соответствии с настоящим раскрытием не ограничивается вариантом осуществления, показанным на фиг.4, и, вместо этого, может иметь любое подходящее поперечное сечение, например, прямоугольное, овальное, многогранную форму (шестигранную, восьмигранную и пр.), либо любую иную подходящую форму. Показанный клапан 34 может иметь несущую конструкцию, и может быть выполнен механической обработкой из единой заготовки, либо может состоять из двух отдельных частей, соединенных вблизи места расположения мембраны 40.
Мембрана 40 в варианте осуществления, показанном на фиг.3 и фиг.4, полностью перекрывает в данной конфигурации кольцевую область внутри корпуса 38, предотвращая протекание флюида сквозь клапан. Мембрана 40, однако, является разрушаемым элементом, и, при ее разрывании, позволяет флюиду проходить сквозь клапан 34. Примером подходящей мембраны для использования в настоящем устройстве является разрывная мембрана. Примером подходящего материала для клапана 34 и соединительного переходника может служить легированная сталь, выдерживающая ожидаемые условия среды в стволе скважины. Другими вариантами могут быть стекло, керамика, алюминий, чугун, пластмассы и изделия из Нейлона. Правильный выбор материала вполне может быть сделан специалистом.
Корпус 38 также содержит хвостовую часть 44, проходящую вниз от мембраны 40. В хвостовой части 44 при необходимости может быть сделано отверстие 46, образующее проход сквозь хвостовую часть 44. Отверстие 46 расположено в целом перпендикулярно оси корпуса 38. Размеры отверстия 46 должны быть достаточными для прохождения сквозь него детонационного шнура 36. В одном варианте осуществления клапан 34 может содержать упор 45, образованный по наружной окружности корпуса 38 и расположенный примерно коаксиально с корпусом 38. В варианте осуществления, содержащем упор 45, углубление 35 может иметь увеличенный диаметр вблизи своего отверстия для размещения упора 45. Для взаимодействия с упором 45 должен быть предусмотрен уступ 47, образованный сокращением диаметра выемки. При надлежащем расположении упора 45 относительно уступа 47 отверстие 46 внутри полости 48 будет расположено так, что обеспечит правильное положение проходящего сквозь него детонационного шнура 36. После установки на место клапан 34 может быть повернут так (при необходимости), чтобы обеспечить совмещение с детонационным шнуром 36.
Клапан 34 может удерживаться внутри углубления 35 стопорным кольцом 50. Стопорное кольцо 50 может быть помещено в выемке различными способами, например на резьбе, на тугой посадке, в виде пружинного кольца, приварено, либо любым другим подходящим способом.
Следует отметить, что конструкция клапана 34 в описываемом устройстве не ограничивается только вариантом с разрушаемым элементом, например мембраной, но может включать любое устройство или прибор, реагирующий на ударную волну. В качестве другого примера можно привести скользящий отрезок трубы с отверстиями, при смещении которого под действием ударной волны отверстия располагаются так, что устанавливается сообщение из полости 48 соединительного переходника 28 с пространством снаружи соединительного переходника 28. В другом альтернативном варианте используется подпружиненный предохранительный клапан, чувствительный к перепаду давлений между полостью и окружающей средой, который открывается, когда давление в камере превосходит давление окружающей среды на некоторую заданную величину. Благодаря пружине клапан восстанавливается для повторного использования или для повторных воздействий давления.
Показана часть детонационной системы 33, расположенная внутри соединительного переходника 28 и корпусов 32 перфораторов. Показанная часть детонационной системы 33 содержит детонационные шнуры 36 и передаточные заряды 37 и проходит сквозь корпуса 32 перфораторов, а также в соединительный переходник 28. Как было описано выше, инициирование детонационной системы обычно происходит в секции детонационной системы, которая ближе всего расположена к поверхности 9. Инициирование детонационной системы 33 создает ударную волну в детонационном шнуре 36, которая распространяется вниз по детонационной системе 33 (и шнуру 36).
Кроме того, ударная волна распространяется между последовательно расположенными сегментами связки перфораторов (т.е., смежными корпусами 32 перфоратора и соединительным переходником 28) посредством передаточных зарядов 37, находящихся в каждой концевой точке отрезков детонационного шнура 36 внутри сегмента. Детонационный шнур 36 может быть любой формы (т.е., круглой, плоской, меньшего или большего диаметра, и переменного диаметра), химический состав детонационного шнура также не сводится к какому-либо одному соединению. Детонационный шнур для использования с описанным здесь устройством может включать любой подходящий шнур, пригодный для передачи ударной волны вдоль связки перфораторов, в которой ударная волна может активизировать отводное устройство. Кроме того, в качестве средств создания упомянутой ударной волны могут быть использованы электрические детонаторы.
В одном варианте осуществления шаг разрыва может быть осуществлен с использованием давления, образующегося при сгорании материала, например сгорания реактивного топлива. Горючий материал может быть расположен вблизи разрушаемой части клапана, где высокое давление, образующееся в результате сгорания, воздействует на разрушаемую часть с силой, достаточной для ее разрушения. Кроме того, область, в которой заключен горючий материал, может быть закупорена, что обеспечивает нарастание давления для прорыва разрушаемой части. При этом вместо мгновенного, развивающегося в течение микросекунд процесса предложенное в настоящем раскрытии устройство может быть активизировано процессом горения вещества, продолжающегося миллисекунды.
При использовании связка перфораторов, содержащая сегмент 31, показанный на фиг.3, располагается в стволе 1 скважины для перфорирования ствола 1 скважины. Как было показано выше, перфорация ствола 1 скважины выполняется активизацией детонационной системы связки перфораторов, которая, в свою очередь, вызывает детонацию кумулятивных зарядов 30, связанных с перфораторной системой. Детонация кумулятивных зарядов возникает под действием ударной волны, создаваемой детонационной системой. Активизация детонационной системы осуществляется путем активизации стреляющей головки. Известно, что стреляющие головки обычно устанавливаются в самом верхнем сегменте связки перфораторов, и соединены электрически или механически с детонационным шнуром. При активизации детонационной системы возникающая ударная волна распространяется вдоль детонационной системы и проходит через каждый сегмент детонационного шнура 36. Показанная на фиг.4 мембрана 40 выполнена разрушаемой при воздействии давления, образующегося при прохождении ударной волны по детонационному шнуру 36. При разрушении мембраны 40 устраняется препятствие для прохода флюида в виде клапана 34, что, в свою очередь, обеспечивает сообщение между полостью 48 и верхней поверхностью соединительного переходника 28. Таким образом, ударная волна, что вызвала детонацию ударных волн, также обеспечивает и отводное соединение между полостью 48 и пространством, окружающим соединительный переходник 28.
На фиг.5 показано состояние сегмента 31а связки перфораторов после детонации детонационной системы. В данном случае, подрыв кумулятивного заряда вызывает либо раздробление, либо полное уничтожение его отдельных элементов, в результате чего он исчезает. Аналогично, детонационный шнур 36 и передаточные заряды 37 расходуются при их использовании и также исчезают. В результате детонации кумулятивных зарядов возникает отверстие 54 в стенке корпуса 32а стреляющего перфоратора, а подрыв передаточных зарядов 37 по аналогии создает проходы 52 между соединительным переходником 28а и корпусами 32а смежных перфораторов, что позволяет флюиду перетекать из соответствующих корпусов 32а перфоратора в полость 48а. При этом образуется путь А1 для потока флюида снаружи корпусов 32а в полость 48а. Более того, разрыв мембраны 40а обеспечивает свободное вытекание флюида из полости 48а наружу соединительного переходника 28а. Соответственно, если в процессе извлечения сегмента 31а связки проходы 52 окажутся заблокированными, свободный поток флюида сквозь теперь открытый клапан 34а предотвратит образование какого-либо перепада давления между полостью 48а и окружающей соединительный переходник 28а средой.
Толщина мембраны может быть уменьшена в критических местах на поверхности мембраны, чтобы гарантировать ее разрыв при воздействии приложенной ударной волны. В варианте осуществления для облегчения разрыва мембраны 40 она может включать надсеченную часть 42 по поверхности с одной ее стороны. Также, в альтернативном варианте, соединительный элемент для соединения детонационного шнура 36 с клапаном не ограничен только отверстием 46, но может включать соединительный элемент J-образной формы для соединения клапана 34 с детонационным шнуром 36. Кроме того, соединительный элемент может содержать несколько гибких элементов для соединения со шнуром 36. Следует отметить, что создание ударной волны не сводится только к использованию детонационного шнура.
Таким образом, представленное здесь изобретение обеспечивает решение поставленных задач и достижение заявленных целей и преимуществ, а также и других, присущих ему. Несмотря на то, что для раскрытия изобретения использовался представленный предпочтительный вариант его осуществления, многочисленные изменения могут быть сделаны в деталях его осуществления для достижения требуемых результатов. Например, описанное здесь изобретение может быть использовано с любой подходящей фазировкой кумулятивных зарядов, а также любой плотностью размещения кумулятивного заряда. Более того, изобретение может быть использовано со стреляющими перфораторами любого подходящего размера. Специалисты могут без труда предложить эти и иные аналогичные модификации в рамках существа и объема притязаний, определенных приложенной формулой изобретения.