пулевой перфоратор и способ его применения

Формула изобретения

1. Пулевой перфоратор с вертикально-криволинейными стволами, включающий пороховую камеру с двумя торцевыми пороховыми зарядами и размещенными между ними запальным устройством с воспламенительным зарядом, подсоединенные к ней с одного торца головную секцию со стволом и узлом герметизации дульного среза, а с другого торца пулевую секцию, концевую секцию с наконечником, пули, узел герметизации, электровоспламенитель, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности его работы за счет уменьшения числа резьбовых соединений, надежности при одновременном создании предпосылок направленного формирования системы горизонтальных, вертикальных и смешанных групп трещин, каждая из пулевых секций выполнена с двумя стволами, расположенными друг против друга, а их дульные срезы сближены по вертикали, при этом пороховые камеры с индивидуальными электровоспламенителями размещены между пулевыми секциями с обеспечением соединения каждого из электровоспламенителей с боевой электрической цепью.

2.Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что, с целью создания предпосылок к формированию системы вертикальных трещин, дульные срезы каждой из пулевых секций ориентированы в одну сторону.

3.Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что, с целью создания предпосылок к формированию системы горизонтальных трещин, дульные срезы каждой из пулевых секций ориентированы в противоположные стороны.

4.Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что, с целью создания предпосылок к формированию вертикальных и горизонтальных трещин, он включает пулевые секции как с односторонне, так и противоположном ориентированными дульными срезами.

5. Способ применения пулевого перфоратора с вертикально-криволинейными стволами, включающий снаряжение и сборку пулевого перфоратора, спуск и размещение его в зоне перфорации, выстрел, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности его работы при одновременном создании предпосылок направленного формирования системы вертикальных, горизонтальных и смешанных групп трещин, при решении задач направленного вскрытия пластов или увеличения плотности перфорации, перед сборкой перфоратора с учетом геологического строения в зоне перфорации определяют главные направления развития системы трещин в пласте относительно подошвы и кровли, плотность перфорации, количество и тип пулевых секций в сборке, шаг перемещения, а после спуска перфоратора в выбранный интервал перфорации производят отстрел или всех пулевых секций одновременно, или парной зарядной секции, при этом перфоратор перемещают с переменным или постоянным шагом на расстояние размещения последующих отверстий в скважине в заданном интервале пласта с обеспечением разворота пуль по отношению к предыдущему каналу во встречном, или расходящемся в разные стороны направлениях и производят повторный отстрел.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам вскрытия продуктивных пластов и способам его применения при интенсификации добычи полезных ископаемых скважинным способом.

Известен пулевой перфоратор залпового действия с вертикально-криволинейными стволами ПВН-90, в котором пара стволов с криволинейными пазами размещена на одном уровне.

Перфораторы этого типа пригодны лишь для создания предпосылок к формированию горизонтальных трещин. Однако из-за конструктивных недостатков, связанных с метанием двух пуль одним зарядом и возникающих при разных скоростях их полета, происходит частое заклинивание аппарата. Кроме того, из-за несовершенства передачи воспламенения зарядов происходит встряска аппарата с последующей разгерметизацией стволов, замыкание следующих групп пороховых зарядов и, как следствие, отказ или затяжной выстрел с предаварийной или аварийной ситуацией.

Наиболее близким по конструкции (прототип) является пулевой перфоратор ПВК-70. При выстреле заряды в этом перфораторе инициируют в центре сборки, а затем форс пламени от основных зарядов через систему огнепроводных каналов последовательно передают в ниже и выше находящиеся группы основных зарядов.

Перфораторы этого типа не являются селективными и для увеличения плотности перфорации в нужном интервале необходимо производить подъем и перезарядку перфоратора. Они не пригодны для эффективного вскрытия тонкослоистых и маломощных пластов и пропластков. При работе с ними наблюдаются отказы всех групп зарядов при разгерметизации одной из секций. Сложна конструкция перфоратора из-за наличия групп основных и дополнительных зарядов, значительно число резьбовых соединений.

Целью изобретения является повышение эффективности работы перфоратора за счет уменьшения числа резьбовых соединений, надежности при одновременном создании предпосылок направленного формирования системы горизонтальных, вертикальных и смешанных групп трещин.

Поставленная цель достигается тем, что в пулевом перфораторе с вертикально-криволинейными стволами, включающем пороховую камеру с двумя торцевыми пороховыми зарядами и размещенными между ними запальным устройством с воспламенительным зарядом, присоединенные к ней с одного торца головную секцию со стволом и узлом герметизации дульного среза, а с другого торца пулевую секцию, концевую секцию с наконечником, пули, детали снаряжения и герметизации, электровоспламенитель, согласно изобретению, каждая из пулевых секций выполнена с двумя стволами, направленными навстречу друг другу, а их дульные срезы сближены по вертикали, при этом пороховые камеры с индивидуальными электровоспламенителями размещены между пулевыми секциями с обеспечением соединения каждого из электровоспламенителей с боевой электрической цепью.

Поставленная цель создания предпосылок к формированию системы вертикальных трещин достигается тем, что в пулевом перфораторе дульные срезы каждой из пулевых секций ориентированы в одну сторону.

Кроме того, поставленная цель создания предпосылок формирования системы горизонтальных трещин достигается тем, что в пулевом перфораторе дульные срезы ориентированы в разные стороны.

Поставленная цель достигается и тем, что для создания предпосылок к формированию системы вертикальных и горизонтальных трещин, пулевой перфоратор включает пулевые секции как с односторонне, так и с противоположно ориентированными дульными срезами.

Поставленная цель достигается также тем, что в способе применения пулевого перфоратора, включающем снаряжение и сборку перфоратора, спуск и размещение его в зоне перфорации, выстрел, согласно изобретения, с целью создания предпосылок направленного формирования системы вертикальных, горизонтальных и смешанных групп трещин при решении задач направленного вскрытия пластов или увеличения плотности перфорации, перед сборкой перфоратора с учетом геологического строения в зоне перфорации определяют главные направления развития системы трещин в пласте и относительно подошвы и кровли, плотность перфорации, количество и тип пулевых секций в сборке, шаг перемещения, а после спуска перфоратора в выбранный интервал перфорации производят отстрел или всех пулевых секций одновременно, или парной зарядной секции, при этом перфоратор перемещают с постоянным или переменным шагом на расстояние размещения последующих отверстий в скважине в заданном интервале пласта с обеспечением разворота пуль по отношению к предыдущему каналу во встречном или расходящемся в разные стороны направлениях и производят повторный отстрел и т. д.

Предложенная конструкция пулевого перфоратора, выбор пулевых секций для создания предпосылок направленного формирования системы трещин и шага перемещения его в скважине в процессе отстрелок обеспечивают упрощение конструкции, повышают надежность и направленность вскрытия пластов. Это позволяет сделать вывод о том, что изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение предложенных решений с прототипом позволяет установить соответствие их критерию "Новизна". Изучение других технических решений в данной области техники показало, что известны перфорирующие устройства с ориентацией средств перфорации в ту или другую сторону, например, в кумулятивных перфораторах ПКС-65. Однако, при введении в указанные связи селективности отстрела проявляются свойства, приводящие к снижению разрушающего действия выстрела на колонну обсадных труб и цементное кольцо. Кроме того, достигнутое при переходе к пулевым перфораторам увеличение диаметра пробитого канала с 10-12 мм до 25 мм и выше, а также установление факта разворота пули в породе после прохождения поворотного паза при скорости полета пули 550-800 м/с в сторону, противоположную ее первоначальному движению по стволу, а также размещение последующих отверстий с обеспечением разворота пуль по отношению к предыдущему каналу во встречном или расходящемся в разные стороны направлениях, приводит к повышению эффективности последующего разрыва пласта и формирования направленного развития трещин относительно подошвы и кровли. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения как критерию "Существенные отличия", так и критерию "Полезность".

На фиг. 1 представлена конструкция пулевого перфоратора. Он состоит из ряда пороховых камер 1 с двумя торцевыми пороховыми зарядами 2 и размещенными между ними запальным устройством, состоящим из огнепроводного канала 3 с зарядной камерой под воспламенительный заряд 4, электровоспламенителя 5, опорного диска 6, герметизирующей пробки 7. К пороховой камере подсоединены пулевые секции 8 с двумя стволами, направленными навстречу друг другу с размещенными в них пулями 9, дульная часть пулевых секций сближена по вертикали и снабжена узлом герметизации, состоящем из опорного диска 10 с резиновой пробкой 11, и двумя поворотными пазами, ориентированными в одну сторону 12 или противоположные - 13. Сборка заканчивается головной секцией 15 и концевой секцией 15¹. Все секции снабжены продольными пазами 16 для прокладки боевой электрической цепи к электровоспламенителям. Для герметизации стволов предусмотрены резиновые кольца 14.

Устройство работает следующим образом. При подаче импульса по электропроводам, уложенных в пазах 16, на воспламенитель 5 или группу воспламенителей, инициируется заряд воспламенителя 4 и горячие газы по огнепроводным каналам 3 достигают пороховых зарядов в пороховых камерах 2. Происходит выстрел двумя пулями одновременно или залп из нескольких парных стволов в зависимости от схемы подсоединения электровоспламенителей в цепи.

Примеры решения конкретных задач для создания предпосылок к формированию системы трещин при залповом отстреле представлены на фиг. 2-3.

На фиг. 2, а представлена схема создания предпосылок к формированию очаговых вертикальных и одной горизонтальной трещины. Для этой цели взято три пулевых секции с односторонне ориентированными дульными срезами и одна секция с дульными срезами, ориентированными в противоположные стороны. Формирование горизонтальной трещины намечено со смещением к подошве пласта, а вертикальных очаговых трещин в разных направлениях. Для этой цели две пулевые секции с односторонне ориентированными дульными срезами размещают в верхней части сборки, осуществляя ориентацию дульных срезов под выбранным углом к горизонту ( с учетом естественной разориентированности стволов за счет резьбовых соединений и незначительного послабления в резьбе). Подсоединяют секцию с разноориентированными дульными срезами, стремясь совместить дульный срез верхнего дульного среза этой секции в одной плоскости с таковыми в верхней секции. Аналогичные операции проводят при сборке нижних секций. Сборку доставляют в интервал перфорации и производят залповый отстрел. Преимущество залпового отстрела перед селективным состоит в том, что одновременно внедрение пуль приводит к увеличению раскалывающего эффекта. При этом наибольший эффект получают в случае односторонней ориентации дульных срезов в пулевой секции, т. к. при встречном и одновременном внедрении и развороте двух пуль в противоположные стороны на сближенном до 50 мм расстоянии раскалывающий эффект увеличивается в 4-6 раз и дополняется воздействием избыточного давления пороховых газов, проникающих вслед за пулей в формирующуюся щель, т. е. реализуется сверхсуммарный эффект.

На фиг. 2, в представлена аналогичная схема сборки перфоратора, но используемая для создания предпосылок к формированию горизонтальной трещины, смещенной к кровле пласта, и двух вертикальных противоположно направленных трещин. При этом, начиная от пулевой секции с противоположно ориентированными дульными срезами, дульные срезы вышележащих секций ориентируют в одну, а нижележащих - в другую сторону.

На фиг. 2, б представлена схема преимущественного создания предпосылок к формированию системы горизонтальных трещин и системы разноориентированных вертикальных трещин в ближней зоне размещения перфорационных каналов. В этом случае используют при сборке секции с разноориентированными дульными срезами и дульные срезы, начиная от головной секции, парнозалповых секций ориентируют в одну сторону. Отстрел может производится как залпом, так и селективно.

На фиг. 3, а представлена схема сборки пулевого перфоратора, используемая для создания предпосылок к формированию системы двух протяженных вертикальных разноориентированных трещин. Для этой цели используют сборку пулевых секций с односторонне ориентированными дульными срезами. Ориентацию протяженных вертикальных трещин задают в месте соединения пулевых секций с пороховой камерой.

На фиг. 3, б представлена схема сборки пулевого перфоратора при создании предпосылок к формированию одной вертикальной трещины. Отстрел по схемам фиг. 3 проводят залпом.

Примеры решения конкретных задач при создании предпосылок к формированию системы трещин при селективном отстреле.

Селективный отстрел применяют при вскрытии тонкослоистых пластов и пропластков, увеличении плотности перфорации в выбранном интервале, ориентации развития системы трещин относительно подошвы и кровли пласта.

Перед началом работ в скважине выбирают интервал (интервалы) перфорации, задаются плотностью перфорации - II, схемой размещения отверстий в стенках скважины с учетом желаемого направления развития системы трещин относительно подошвы и кровли пласта. Определяют (если неизвестно заранее) расстояние - L между дульными срезами в парном залпе (расстояние от дульного среза головной секции до дульного среза пулевой секции, примыкающей к ней), расстояние между дульными срезами пулевой секции - l. Определяют количество пулевых секций в сборке, их тип, схему перемещения перфоратора после каждого парного залпа. Снаряжают пулевой перфоратор, устанавливают электровоспламенители, замыкая один конец проводника электровоспламенителя на массу, а второй подсоединяют к одному из концов многожильного кабеля по выбранной схеме отстрела каждой пары стволов. Снаряженный перфоратор отпускают в интервал перфорации.

На фиг. 4 представлена схема пулевого перфоратора, состоящего из 10 стволов (включает 5 парных залпов). Работа с этим перфоратором может проводится при последовательном перемещении сборки вверх и вниз с постоянным или переменным шагом.

Увеличение плотности перфорации при перемещении перфоратора с постоянным шагом.

В случае последовательного перемещения сборки перфоратора вверх дульный срез выхода первой пули устанавливают на уровне верхней границы зоны перфорации и производят отстрел первой пары стволов (фиг. 4 а, пули N 1-2). Высота перемещения сборки после первого выстрела будет равна

h₁ = (П + l) (1), где П - плотность перфорации;

l - расстояние между дульными срезами в пулевой секции (фиг. 1).

После второго залпа (фиг. 4, а, пули N 3-4) высоту перемещения перфоратора вверх для всех последующих залпов определяют по формуле

h₂ = (П + l) (2)

Повторяя такие операции для случая, когда все пули размещают на равном расстоянии друг от друга, получим

П = (3) где n - число пар стволов в сборке.

При такой методике отстрела одновременно осуществляют расширение зоны перфорации вниз на отрезок (фиг. 4, а, пули N 4-10), длину которого определяют по формуле

S = П (n - 1) (4)

Аналогичные результаты по характеру размещения разворота пуль для случая размещения пуль по формуле (3) получают (фиг. 4, б) при последовательном перемещении перфоратора вниз и начальном отстреле из нижних секций. В этом случае зону перфорации расширяют вверх.

Создание нескольких зон повышенной плотности перфорации при перемещении перфоратора с переменным шагом.

Данный прием используют в случае тонкопереслаивающихся нефтяных пластов или создания участков с максимально развитой системой трещин. При этом с учетом геологического строения перфорируемого участка скважины или решаемых задач подбирают порядок и шаг перемещения таким образом, чтобы на участках тонкослоистых пропластков размещалось не менее двух пуль (фиг. 4, д), (фиг. 4, в и 4, г) или в одной из зон пласта размещают пули с разворотом во встречных и противоположном направлениях (фиг. 4, е).

Выбор вариантов по последней схеме более предпочтителен при решении задач отдаления сроков обводнения скважин.

Комбинацией центральных секций (пулевых) с различным размещением дульных срезов могут быть созданы и другие предпосылки формирования системы трещин при решении конкретных задач по эксплуатации месторождений.

Экспериментальные исследования в стендовых условиях по оценке глубины пробития стальных мишеней предложенным перфоратором показали, что при массе пули калибром 25 мм в 200-210 г и пороховом заряде из ПП-4/7 массой 65 г предложенный перфоратор по эффективности пробития эквивалентен пулевому перфоратору ПВК-70. Разворот пуль после пробития одной обсадной трубы и прохождения за межтрубным пространством при дульной скорости на прямом участке от 550 до 800 м/с подтвержден при отстрелах на поверхности по грунту и в коротких горизонтальных скважинах, пробуренных в известняках.

Внедрение предложенного изобретения, направленное формирование системы трещин, позволяет наметить мероприятия по снижению обводняемости месторождений, осуществить эффективное вскрытие тонких продуктивных пластов и пропластков, что позволит существенно увеличить коэффициент извлечения нефти и ввести в эксплуатацию забалансовые залежи, а также снизить число резьбовых соединений в сборке и сократить число спуско-подъемных операций при решении задач увеличения плотности перфорации в выбранном интервале. Это же изобретение при определенных условиях может быть эффективно использовано при внутриконтурном и законтурном заводнении.