устройство для обработки призабойной зоны скважины

Формула изобретения

1. Устройство для обработки призабойной зоны скважины, включающее герметичную воздушную камеру с атмосферным давлением, приемную камеру с загерметизированными отверстиями на боковой поверхности, в полости которой размещен сгораемый твердый композиционный материал, состоящий из нескольких частей и имеющий состав, при горении которого выделяются только газообразные продукты, отличающееся тем, что на торцевых поверхностях основной части сгораемого твердого композиционного материала размещены цилиндрические шашки из того же материала с бронированными торцевыми поверхностями и осесимметричным каналом каждая, внешние торцы шашек зафиксированы металлическими кольцами и герметизирующими прокладками, на них расположены металлические диски, в канале шашки, обращенной к воздушной камере, расположена металлическая пружина, между торцами этой шашки и основной части сгораемого материала, обращенными друг к другу, размещена металлическая решетка, наружный диаметр которой меньше внутреннего диаметра кольца, к центру решетки одним из концов прикреплена металлическая пружина, другой конец пружины прикреплен к тяге, расположенной в центре металлического диска.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус приемной камеры выполнен металлическим или из ударопрочной пластмассы.

3. Устройство по одному из пп.1 и 2, отличающееся тем, что в канале шашки, обращенной к скважине, так же может быть установлена и аналогичным образом закреплена металлическая пружина.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности, к устройствам для повышения производительности скважин путем обработки призабойной зоны.

Известны устройства для обработки призабойной зоны скважин методом имплозии.

Одно из них представляет герметичную камеру в виде металлического корпуса, заполненного воздухом под атмосферным давлением. В нижней части корпус закрывается мембраной, закрепляемой с помощью приемной камеры - ниппеля. Верхний торец корпуса имплозионной камеры, герметизированный заглушкой-переходником, позволяет (также) произвести спуск устройства в скважину на насосно-компрессорных трубах (Попов А.А. Ударные воздействия на призабойную зону скважины. - М.: Недра, 1990, с.35-36). Устройство устанавливают нижней частью напротив обрабатываемого пласта. Затем путем закачки в скважину продавочной жидкости из агрегата на устье создают давление, разрушающее мембрану. Скважинная жидкость мгновенно устремляется вовнутрь воздушной (имплозионной) камеры с атмосферным давлением, создавая имплозию (депрессию) в забое. Это приводит к интенсивному движению жидкости из пласта в скважину, способствуя очистке призабойной зоны пласта от загрязнений - отложений парафина, смол, твердых частиц, и т.д. С другой стороны, после создания имплозии, столб скважинной жидкости падает к забою, и образует гидравлический удар, который способствует расширению имеющихся и образованию новых трещин в призабойной зоне пласта и, в конечном итоге, повышению ее коллекторских свойств.

Недостатком работы устройства является трудность выноса в процессе имплозии закупоривающих поры пласта отложений парафина, смол и асфальтенов, имеющих высокую вязкость и адгезию к поверхности пор породы, что приводит к недостаточному очищению пор пласта в призабойной зоне от загрязнения. Кроме того, при работе с устройством возникают трудности, снижающие производительность работ, связанные с необходимостью дополнительного привлечения к работе с устройством продавочного агрегата на устье скважины для создания в забое скважины избыточного давления разрыва мембраны.

Известно имплозионное устройство, включающее герметичную воздушную камеру под атмосферным давлением, диафрагму с взрывным патроном и приемную камеру (Прострелочно-взрывная аппаратура. Справочник под ред. Фриляндера Л.Я. М.: Недра, 1990, с. 181-184).

Устройство спускают в скважину с помощью кабель-троса и устанавливают в интервале обработки пласта. После подачи через кабель-трос электрического импульса срабатывает взрывной патрон, разрушающий диафрагму, которая отделяет воздушную (имплозионную) камеру от приемной. В результате создается поток жидкости из пласта в скважину с достижением эффекта обработки призабойной зоны, аналогично описанному выше эффекту работы предыдущего устройства.

Преимуществом устройства является то, что разрушение диафрагмы с помощью взрывного патрона самого устройства позволяет устранить дополнительную операцию по созданию избыточного давления с помощью продавочного агрегата на устье скважины для разрушения диафрагмы.

К недостаткам устройства относится то, что его применение не устраняет трудность выноса в процессе имплозии отложений в порах пласта типа парафина, смол и асфальтенов, имеющих высокую вязкость и адгезию к поверхности пор породы, что не обеспечивает полноты очищения пор в призабойной зоне пласта от загрязнений. Кроме того, при эксплуатации устройства создается повышенная опасность, связанная с использованием для разрушения диафрагмы устройства взрывчатого вещества в патроне из-за его чувствительности к взрыву при механических воздействиях.

Наиболее близким предлагаемому является устройство для обработки призабойной зоны скважины, включающее герметичную воздушную камеру, приемную камеру, в которой размещен сгораемый твердый композиционный материал, состоящий из двух частей. Первая часть, обращенная к воздушной камере, сформирована из прочной и с малогазовым выделением при сгорании композиции и имеет со стороны, обращенной ко второй части, полость, заполненную смесью композиций первой и второй частей. Последняя снаряжена материалом из газогенерирующей при сгорании композиции, на участке расположения которой по боковой поверхности корпуса приемной камеры выполнены предварительно загерметизированные отверстия (пат. РФ № 2075597, МПК Е 21 В 43/25, БИ № 8 от 20.03.97).

Устройство работает следующим образом.

Герметичную воздушную (имплозионную) камеру, соединенную с приемной камерой, снаряженную сгораемым твердым композиционным материалом, спускают на кабель-тросе в забой скважины таким образом, чтобы приемная камера была установлена напротив интервала обрабатываемого пласта. С устья скважины через кабель-трос подают электрический импульс на воспламенитель сгораемого твердого композиционного материала, который, послойно сгорая, образует газообразные продукты, которые создают давление, проникают в поры пласта, разогревают отложения, в конце горения скважинное давление раскрывает воздушную (имплозионную) камеру. В результате создается поток жидкости из пласта в скважину с достижением эффекта термогазовой и имплозионной обработки.

Преимуществом устройства прототипа является то, что в нем используют невзрывчатый сгораемый твердый композиционный материал и имплозионная обработка совмещена с термогазовой.

К недостаткам устройства относится то, что в процессе проведения спуско-подъемных работ торец приемной камеры, обращенный к скважине, и ее боковая поверхность с отверстиями испытывают значительные механические воздействия в виде ударов о стенки скважины, бомбардирования торцевой поверхности механическими примесями, содержащимися в скважинной жидкости. В результате чего может нарушиться герметизирующий слой, и скважинная жидкость под большим давлением проникнет в полость приемной камеры, где расположен воспламенитель и сгораемый твердый композиционный материал. Это приводит к потере начальных физико-механических свойств воспламенительного состава и сгораемого материала, т.е. его способности воспламеняться и гореть. В зависимости от степени начальных нарушений герметизирующего слоя скважинная жидкость либо фильтруется в имплозионную камеру через сгораемый материал, либо вначале продавливает разрушенный сгораемый материал, затем проникает сама. Воздействие скважинного давления на герметизирующую прокладку также может привести к уменьшению длины заряда за счет уплотнения сгораемого материала (повышения плотности за счет остаточной пористости заряда), что приводит к сдвигу сгораемого материала в приемной камере и вышеописанным последствиям. В начальный момент воспламенения и горения сгораемого твердого композиционного материала образовавшиеся высокотемпературные продукты горения не имеют возможности выхода в скважину, поэтому за счет пор, имеющихся в сгораемом твердом композиционном материале, они распространяются по всему объему приемной камеры, создавая новые очаги воспламенения и горения. В результате этого до момента разгерметизации нижнего торца или отверстий на боковой поверхности давление в приемной камере резко возрастает и значительно превышает скважинное, что приводит не только к разгерметизации нижнего торца и боковых отверстий приемной камеры, но и частичной или полной разгерметизации верхнего торца приемной камеры, и поток скважинной жидкости либо фильтруется по образовавшимся разрушениям (каналам) в сгораемом твердом композиционном материале в имплозионную камеру, либо остатки сгораемого твердого композиционного материала выдавливаются потоком скважинной жидкости в имплозионную камеру. В том и другом случае остатки твердого сгораемого композиционного материала препятствуют движению восходящего потока скважинной жидкости, т.е. снижают эффективность работы имплозионного устройства.

Задачей изобретения является повышение надежности работы устройства за счет улучшения герметизации торцов приемной камеры и создания регулируемого свободного объема в приемной камере, что способствует плавному, а не резкому нарастанию давления в момент воспламенения.

Поставленная задача решается разработкой устройства для обработки призабойной зоны скважины, включающего герметичную воздушную камеру с атмосферным давлением, приемную камеру с загерметизированными отверстиями на боковой поверхности, в полости которой размещен сгораемый твердый композиционный материал, состоящий из нескольких частей и имеющий состав, при горении которого выделяются только газообразные продукты. Причем на торцевых поверхностях основной части сгораемого твердого композиционного материала размещены цилиндрические шашки из того же материала с бронированными торцевыми поверхностями и осесимметричным каналом каждая, в канале шашки, обращенной к воздушной камере, расположена металлическая пружина, внешний торец шашки зафиксирован металлическим кольцом и герметизирующей прокладкой, на внешней стороне которой расположен металлический диск, между торцами шашки и основной частью, обращенными друг к другу, размещена металлическая решетка, наружный диаметр которой меньше внутреннего диаметра кольца, к центру решетки одним из концов прикреплена металлическая пружина, другой конец пружины прикреплен к тяге, расположенной в центре металлического диска, внешняя сторона торцевой поверхности шашки, обращенная к скважине, зафиксирована металлическим кольцом, на внешней стороне которого расположена герметизирующая прокладка и металлический диск. Корпус приемной камеры выполнен металлическим или из ударопрочной пластмассы. При работе с устройством в глубоких скважинах для улучшения герметизации нижней приемной камеры в канале шашки, обращенной к скважине, также может быть установлена и аналогичным образом закреплена металлическая пружина.

На чертеже изображен общий вид предлагаемого устройства в разрезе. Устройство, снабженное кабельной головкой (1), имеет герметичную воздушную камеру (2), соединенную с приемной камерой (3), внутри которой размещен сгораемый твердый композиционный материал (4, 7), на торце основной части (4), обращенной в скважину, установлен воспламенитель (5). Корпус приемной камеры имеет предварительно загерметизированные отверстия (6), расположенные на ее боковой поверхности. На поверхности торцов основной части (4) установлены две части сгораемого твердого композиционного материала (7), которые выполнены в виде цилиндрических шашек с осесимметричным каналом и забронированными торцевыми поверхностями. В канале шашки, обращенной к воздушной камере, расположена металлическая пружина (8). Внешняя торцевая поверхность цилиндрических шашек зафиксирована металлическими кольцами (9) и герметизирующими прокладками (10). На внешней стороне колец и герметизирующих прокладок расположены металлические диски (11). Между торцами шашки (7), обращенной к воздушной камере, и основной части (4), обращенными друг к другу, расположена металлическая решетка (12), наружный диаметр которой меньше внутреннего диаметра металлического кольца, к центру решетки жестко прикреплен один из концов пружины (8), второй конец пружины прикреплен к тяге (13), расположенной в центре металлического диска (11).

Устройство работает следующим образом. Герметичную воздушную (имплозионную) камеру (2), соединенную с приемной камерой (3), снаряженную сгораемым твердым композиционным материалом (4, 7) и кабельной головкой (1), спускают на кабель-тросе в забой скважины таким образом, чтобы приемная камера была установлена напротив интервала обрабатываемого пласта.

С устья скважины через кабель-трос подают электрический импульс на воспламенитель, расположенный на нижнем торце основной части сгораемого твердого композиционного материала. В результате послойного горения сгораемого твердого композиционного материала по торцевой поверхности основной части и диаметру осесимметричного канала цилиндрической шашки, установленной в нижней части приемной камеры, образуются газообразные высокотемпературные продукты горения, которые создают давление в свободном объеме приемной камеры и разрушают герметизацию нижнего торца и боковых отверстий приемной камеры. В процессе дальнейшего послойного горения сгораемого твердого композиционного материала нагретые газы, выходя через боковые отверстия и торцевую поверхность, создают в области интервала обработки повышенное давление и проникают в поры и трещины призабойной зоны, расплавляя в них загрязнения в виде парафино- и асфальтеносмолистых отложений. В конце сгорания основной части высокотемпературные продукты горения проникают через металлическую решетку в осесимметричный канал цилиндрической шашки, установленной в верхней части приемной камеры, и воспламеняют его поверхность. В результате послойного горения по поверхности канала диаметр канала увеличивается, и при достижении равенства диаметра канала диаметру металлической решетки пружина сжимается, освобождая металлический диск, что приводит к одновременному раскрытию сечения между приемной и воздушной (имплозионной) камер. К моменту раскрытия воздушной (имплозионной) камеры газообразные продукты, образованные при горении сгораемого твердого композиционного материала, вытесняются через боковые отверстия из приемной камеры скважинной жидкостью, заполняющей эту камеру через ее нижний открытый торец, поэтому перед восходящим потоком скважинной жидкости отсутствуют газообразные продукты горения, что снижает вероятность возникновения гидравлического удара.

В качестве сгораемого твердого композиционного материала в устройстве используют составы, при горении которых выделяются практически только газообразные продукты, обеспечивающие раскрытие предварительно загерметизированных боковых отверстий приемной камеры, а также создание давления в интервале обработки для возможности проникновения нагретых газов в поры и трещины призабойной зоны. Наличие в продуктах горения твердых частиц нецелесообразно из-за возможности закупорки ими пор и трещин пласта. Например, можно использовать состав, примененный в устройстве-прототипе на основе гранулированной аммиачной селитры и эпоксидной смолы при следующих соотношениях компонентов, мас.%: аммиачная селитра гранулированная марки Б, ГОСТ-2-85 - 72; бихромат калия технический ГОСТ 2652-78 - 5; эпоксидная смола марки ЭД-20 с отвердителем ПЭПА в соотношении 10:1 - 23. Основные термодинамические и взрывчатые характеристики состава представлены в таблице.

Размещенные в верхней и нижней частях приемной камеры цилиндрические шашки с осесимметричным каналом, металлическая решетка, металлическая пружина, металлические кольца, герметизирующие прокладки, металлические диски, выполняют в устройстве следующие взаимосвязанные функции:

дополнительных источников температуры и газов, образуемых при сгорании твердого композиционного материала;

повышения герметичности нижнего торца приемной камеры от проникновения скважинной жидкости при операции спуска и установки в интервале обработки призабойной зоны, когда возникает перепад между атмосферным давлением в устройстве и давлением жидкости в скважине;

повышения герметичности верхнего торца приемной камеры от проникновения продуктов горения и скважинной жидкости в воздушную (имплозионную) камеру раньше окончания процесса горения сгораемого твердого композиционного материала;

раскрытие верхнего торца приемной камеры осуществляется путем сжатия пружины при достижении равенства диаметра канала диаметру металлической решетки и не зависит от скважинного давления;

наличие регулируемого свободного объема в нижней части приемной камеры исключает резкое нарастание давления создаваемого продуктами горения в начальный момент воспламенения и горения сгораемого твердого композиционного материала.

Указанный комплекс функций в предлагаемом устройстве позволяет повысить надежность его работы и эффективность обработки призабойной зоны скважины.