устройство для перфорации скважины и образования трещин в прискважинной зоне пласта

Формула изобретения

1. Устройство для перфорации скважины и образования трещин в прискважинной зоне пласта, включающее узел для генерирования газов и узел для перфорации скважины с кумулятивными зарядами в виде гирлянды по длине устройства, включающей группу зарядов, по меньшей мере одну, обеспечивающую вскрытие прискважинной зоны каналами глубиной, не меньшей радиуса зоны кольматации скважины, и другую группу зарядов, по меньшей мере одну, предшествующую первой упомянутой группе зарядов или следующую за ней по длине устройства и обеспечивающую вскрытие прискважинной зоны каналами с поперечным их сечением, превышающим в 1,1-6 раз поперечное сечение каналов от зарядов первой группы, при этом устройство имеет средство инициирования его работы, а смежные кумулятивные заряды в каждой из групп зарядов и между группами зарядов смещены относительно друг друга в поперечном сечении устройства на одинаковый и/или разный угол в одном и/или разных направлениях отсчета угла.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел для генерирования газов выполнен в виде набора из трубчатых зарядов твердого топлива, размещенных последовательно один за другим с образованием осевого канала, при этом группы кумулятивных зарядов в виде гирлянды размещены в осевом канале трубчатых зарядов.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что общая длина узла для генерирования газа в виде трубчатых зарядов твердого топлива равна общей длине гирлянды групп кумулятивных зарядов.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что общая длина узла для генерирования газа в виде трубчатых зарядов твердого топлива превышает общую длину гирлянды групп кумулятивных зарядов.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что гирлянда кумулятивных зарядов размещена симметрично относительно общей длины трубчатых зарядов твердого топлива.

6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что кумулятивные заряды узла для перфорации скважины размещены в цилиндрическом стальном корпусе, при этом трубчатые заряды твердого топлива размещены на этом корпусе.

7. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что средство для инициирования работы устройства выполнено с возможностью первоначального инициирования работы узла для перфорации скважины и последующего инициирования от этого узла для генерирования газов.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пары из разных групп зарядов содержат по одинаковому числу зарядов в каждой из групп, например по 6 зарядов, и образуют секции, в которых все смежные кумулятивные заряды смещены относительно друг друга в поперечном сечении устройства на одинаковый угол, например на 60°, при этом секции выполнены с возможностью поворота относительно друг друга, например, на 30° и фиксации их в этом положении.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что при множестве секций последние выполнены и размещены в устройстве с возможностью равномерного чередования по длине этого устройства зарядов разных групп.

10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что соседние секции связаны между собой соединительным узлом, содержащим стержень с отверстиями и элементами крепления к каркасу одной секции и втулку с отверстиями и элементами крепления к каркасу соседней секции, при этом стержень помещен во втулке и соединен с ней с помощью шплинта, пропущенного через отверстия стержня и втулки, оси которых смещены на заданный угол.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел для генерирования газов размещен за узлом для перфорации скважины по длине устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для увеличения эффективности вторичного вскрытия пластов.

Для увеличения эффективности традиционного метода перфорации появились устройства, которые позволяют одновременно перфорировать и создавать трещины в прискважинной зоне пласта в интервале перфорации, а также осуществлять очистку перфорационных каналов для улучшения гидродинамической связи скважины с пластом.

Известно устройство для перфорации скважины и образования трещин в прискважинной зоне пласта, в котором между кумулятивными зарядами расположены заряды из твердого топлива для генерирования газов - присоединенные заряды. За счет синхронизации времени срабатывания кумулятивных зарядов и присоединенных зарядов достигается оптимальное воздействие на пласт для образования трещин [1].

Недостатком этого устройства является его сложность, связанная с обеспечением синхронизации срабатывания зарядов двух типов.

Известно устройство для перфорации скважины и образования трещин в прискважинной зоне пласта, сочетающее перфорацию скважины (обсадной колонны) и воздействие продуктами сгорания твердого ракетного топлива. Устройство состоит из двух узлов узла для перфорации скважины с кумулятивными зарядами и узла для генерирования газа в виде гильзы из твердого ракетного топлива, окружающего перфоратор [2].

При срабатывании кумулятивных зарядов перфоратора воспламеняется гильза из твердого топлива, что приводит к образованию импульса высокого давления и созданию трещин протяженностью 1-2 м в прискважинной зоне пласта с одновременной очисткой перфорационных каналов.

Недостатком этого устройства является неэффективное использование энергии продуктов горения заряда газогенерирующего модуля для образования трещин и для очистки каналов перфорации. В связи с потерями энергии и небольшой протяженностью трещин разрыва положительный результат во многих случаях не может быть достигнут, например, при обработке песчаников и других пород с высокой анизотропией.

Необходимо учитывать ряд факторов, связанных с кратковременностью процесса воздействия на пласт, обусловленного временем горения заряда для генерирования газов и составляющего доли секунды. Энергия, выделяемая при горении заряда, расходуется на сжатие и подъем скважинной жидкости, нагрев окружающей жидкости и колонны и нагнетание продуктов горения через отверстия в обсадной колонне с образованием трещин в пласте.

Эффективность воздействия на пласт зависит в основном от диаметра отверстий в колонне и плотности перфорации. Эти параметры определяют суммарную площадь отверстий, через которые газы нагнетают в трещины. При уменьшении суммарной площади отверстий увеличивается энергия на сжатие и подъем жидкости и уменьшается на развитие трещин. При увеличении суммарной площади отверстий увеличивается энергия на развитие трещин и уменьшается на сжатие и подъем скважинной жидкости. Однако чрезмерное увеличение этой площади может привести к уменьшению прочности обсадной колонны, а также и к уменьшению давления в скважине до давления ниже давления разрыва пласта.

В настоящее время разработаны и применяются в кумулятивных перфораторах заряды с возможностью вскрытия прискважинной зоны каналами глубиной 500-800 мм и малым диаметром входного отверстия 8-13 мм, например, в обсадной колонне (заряды типа "deep-penetration"), а также заряды, обеспечивающие большой диаметр входного отверстия 13-30 мм и более (заряды типа "big-hole") с глубиной каналов 100-200 мм.

Заряды с большой глубиной каналов позволяют улучшить гидродинамическую связь участков пласта за зоной кольматации (загрязнения) со скважиной, если глубина перфорационных каналов больше радиуса зоны кольматации скважины. Заряды с большим диаметром входного отверстия позволяют увеличить суммарную площадь отверстий в обсадной колонне при малой плотности перфорации и обеспечить необходимый расход жидкости и газов через отверстия для развития трещин при срабатывании узла для генерирования газа. Применение таких зарядов выгоднее, чем увеличение плотности перфорации, так как площадь отверстий пропорциональна квадрату диаметра и пропорциональна плотности перфорации в первой степени.

Эффективность трещинообразования в прискважинной зоне пласта существенно зависит также и от угла смещения смежных зарядов друг относительно друга в поперечном сечении устройства (угла поворота, ориентации, направления прострела каждого из зарядов или их фазировки), а при кратковременном импульсном воздействии продуктами горения заряда твердого топлива, характерном для данного устройства, эта ориентация имеет такую же значимость, как и диаметр перфорационного канала. Практикой установлено, что трещина в пласте может образоваться в направлении, не совпадающем с направлением перфорационных каналов, и что оптимальный угол смещения смежных зарядов друг относительно друга в поперечном сечении устройства (угол поворота - фазировки зарядов) должен быть не более 60°. В таком случае достигают максимального сообщения жидкости и газов между перфорационными отверстиями, например в обсадной колонне, и трещинами за счет минимизации кольцевого пространства вокруг обсадной колонны.

Это обеспечивает эффективное нагнетание жидкости и газов в трещины при срабатывании газогенератора, увеличивая их протяженность.

Процессом воздействия на пласт продуктами горения заряда газогенератора можно управлять с помощью рационального сочетания указанных выше типов кумулятивных зарядов и взаимным положением этих зарядов.

Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности использования энергии заряда газогенератора для создания протяженных трещин в пласте и очистки перфорационных каналов продуктами горения в породах различного типа независимо от их анизотропии.

Необходимый технический результат достигается тем, что устройство для перфорации скважины и образования трещин в прискважинной зоне пласта включает узел для генерирования газов и узел для перфорации скважины с кумулятивными зарядами в виде гирлянды по длине устройства, включающей группу зарядов, по меньшей мере одну, обеспечивающую вскрытие прискважинной зоны каналами глубиной, не меньшей радиуса зоны кольматации скважины, и другую группу зарядов, по меньшей мере одну, предшествующую первой упомянутой группе зарядов или следующую за ней по длине устройства и обеспечивающую вскрытие прискважинной зоны каналами с поперечным их сечением, превышающим в 1,1-6 раз поперечное сечение каналов от зарядов первой группы, при этом устройство имеет средство инициирования его работы, а смежные кумулятивные заряды в каждой из групп зарядов и между группами зарядов смещены друг относительно друга в поперечном сечении устройства на одинаковый и/или разный угол в одном и/или разных направлениях отсчета угла.

Кроме того:

узел для генерирования газов выполнен в виде набора из трубчатых зарядов твердого топлива, размещенных последовательно один за другим с образованием осевого канала, при этом группы кумулятивных зарядов в виде гирлянды размещены в осевом канале трубчатых зарядов;

общая длина узла для генерирования газа в виде трубчатых зарядов твердого топлива равна общей длине гирлянды групп кумулятивных зарядов;

общая длина узла для генерирования газа в виде трубчатых зарядов твердого топлива превышает общую длину гирлянды групп кумулятивных зарядов;

гирлянда кумулятивных зарядов размещена симметрично относительно общей длины трубчатых зарядов твердого топлива;

кумулятивные заряды узла для перфорации скважины размещены в цилиндрическом стальном корпусе, при этом трубчатые заряды твердого топлива размещены на этом корпусе;

средство для инициирования работы устройства выполнено с возможностью первоначального инициирования работы узла для перфорации скважины и последующего инициирования от этого узла узла для генерирования газов;

пары из разных групп зарядов содержат по одинаковому числу зарядов в каждой из групп, например по 6 зарядов, и образуют секции, в которых все смежные кумулятивные заряды смещены друг относительно друга в поперечном сечении устройства на одинаковый угол, например на 60°, при этом секции выполнены с возможностью поворота друг относительно друга, например, на 30° и фиксации их в этом положении;

при множестве секций последние выполнены и размещены в устройстве с возможностью равномерного чередования по длине этого устройства зарядов разных групп;

соседние секции связаны между собой соединительным узлом, содержащим стержень с отверстиями и элементами крепления к каркасу одной секции и втулку с отверстиями и элементами крепления к каркасу соседней секции, при этом стержень помещен во втулке и соединен с ней с помощью шплинта, пропущенного через отверстия стержня и втулки, оси которых смещены на заданный угол;

узел для генерирования газов размещен за узлом для перфорации скважины по длине устройства.

Таким образом, особенностью предложенного устройства в соответствии с изобретением является наличие одних кумулятивных зарядов, обеспечивающих вскрытие прискважинной зоны каналами глубиной, не меньшей радиуса зоны кольматации скважины и других кумулятивных зарядов, обеспечивающих вскрытие прискважинной зоны каналами с поперечным их сечением, превышающем в 1,1-6 раз поперечное сечение каналов от зарядов первой группы. При этом для последних зарядов речь может идти о создании увеличенного их сечения, в частности диаметра входного отверстия в обсадной колонне с увеличением при этом суммарной площади отверстий в обсадной колонне для обеспечения условий эффективного нагнетания жидкости и газов в трещины при срабатывании узла для генерирования газов. При этом смещение смежных кумулятивныв зарядов в каждой из групп зарядов и между группами зарядов относительно друг друга в поперечном сечении устройства на одинаковый и/или разный угол в одном и/или разных направлениях отсчета угла обеспечивает ориентацию перфорационных каналов на ряде участков воздействия, близкую или совпадающую с ориентацией трещин, образуемых при срабатывании узла для генерирования газов. Это обеспечивает более эффективное нагнетание жидкости и газов в трещины, увеличивая их протяженность. При этом суммарная площадь отверстий, например, в обсадной колонне может быть задана соответствующим набором секций в узле для перфорации. Необходимое количество секций с зарядами различных типов определяют на стадии проектирования обработки прискважинной зоны в зависимости от геологотехнических условий.

Таким образом, сочетание кумулятивных зарядов двух типов увеличивает вероятность получения положительного результата при совместной перфорации и воздействии на пласт продуктами горения заряда твердого топлива.

В оптимальном случае пары из разных групп зарядов могут содержать по одинаковому числу зарядов в каждой из групп, например по 6 зарядов, и образовывать секции, в которых все смежные кумулятивные заряды смещены друг относительно друга в поперечном сечении устройства на одинаковый угол, например на 60°. При этом секции могут быть выполнены с возможностью поворота друг относительно друга, например на 30°, и фиксации их в этом положении.

Поворот секций вокруг оси на вышеупомянутые углы еще более увеличивает вероятность того, что ориентация перфорационных каналов на ряде участков интервала воздействия будет близка или совпадать с ориентацией трещин, образуемых при срабатывании узла для генерирования газов. Это обеспечит еще более эффективное нагнетание жидкости и газов в трещины, увеличивая их протяженность.

На фиг.1 показан общий вид устройства с узлом для генерирования газов и узлом для перфорации скважины;

На фиг.2 - соединительный узел секций устройства до сборки;

На фиг.3 - соединительный узел секций устройства в сборе;

На фиг.4 - вариант устройства с симметричным размещением гирлянды кумулятивных зарядов относительно общей длины трубчатых зарядов твердого топлива (гирлянде зарядов предшествует и за гирляндой зарядов следует участок устройства с трубчатыми зарядами твердого топлива одинаковой длины).

В соответствии с фиг.1 узел для перфорации скважины состоит из 4 секций. Каждая секция включает кумулятивные заряды 1 для образования каналов увеличенной глубины в количестве 4 штук и кумулятивные заряды 2 для образования каналов с увеличенным их поперечным сечением (диаметром) в таком же количестве. В этих секциях смежные кумулятивные заряды смещены друг относительно друга в поперечном сечении устройства на одинаковый угол 90° (для иллюстрации). Кумулятивные заряды установлены на каркасе 3. Устройство имеет соединительный узел 4 для поворота секций на заданный угол, детонирующий шнур 5, цилиндрический корпус 6 из стали, кабельную головку 7, взрывной патрон 8 и наконечник 9. Узел для генерирования газов содержит шесть трубчатых зарядов 10 из твердого топлива, которые размещены на корпусе 6 соосно с ним.

На фиг.2 и 3 показан вариант выполнения соединительного узла при повороте секций устройства на углы 45 и 30°.

Эти углы являются оптимальными при углах смещения (углах поворота) зарядов друг относительно друга в поперечном сечении устройства в секциях на 90 и 60° соответственно. В общем случае угол смещения (угол поворота) секций относительно друг друга должен составлять половину угла смещения (угла поворота) зарядов в секциях для обеспечения максимального сообщения газов между перфорационными отверстиями в обсадной колонне, кольцевым пространством вокруг колонны и трещинами.

Соединительный узел (фиг.2) содержит стержень 11 с пазом на верхнем торце и отверстием под крепежный элемент для фиксации к каркасу 3 верхней секции, втулку 12 с пазом на нижнем торце и отверстием под крепежный элемент для фиксации к каркасу нижней секции. Для соединения верхней и нижней секции с поворотом на 45 или на 30° стержень имеет два отверстия 13, а втулка имеет два отверстия 14, смещенные относительно отверстий 13 на угол 45 и 30°. Секции зафиксированы с помощью шплинта 15 (фиг.3).

Устройство работает следующим образом.

При подаче по кабелю электрического импульса срабатывают последовательно взрывной патрон 8, детонирующий шнур 5 и кумулятивные заряды 1 и 2, которые последовательно пробивают корпус 6, трубчатые заряды 10, стенки обсадной трубы и создают перфорационные каналы в выбранном интервале прискважинной зоны пласта, например продуктивного пласта. Инициирование (поджиг) зарядов 10 узла для генерирования газов осуществляется кумулятивными струями, после чего продукты горения трубчатых зарядов твердого топлива проникают в перфорационные каналы и в кольцевое пространство вокруг скважины, через которые нагнетаются в образовавшиеся трещины.

Устройство в соответствии с изобретением обеспечивает комбинированное воздействие на прискважинную зону и, более того, удаленную от ствола скважины зону. Устройство можно применять для перфорации открытого участка ствола скважины при разных вариантах ее обработки, например, при повреждениях во время бурения, для перфорации обсаженной скважины с одновременной очисткой перфорационных каналов, а также и для реперфорации скважины в целях, например, интенсификации притока.

Испытания устройства комбинированного воздействия с чередованием кумулятивных зарядов, создающих входной диаметр в колонне, например 10 и 18 мм, показали высокую эффективность в скважинах месторождений ОАО "Роснефть-Ставропольнефтегаз".

Так как узел для перфорации скважины содержит заряды для образования каналов с увеличенным входным поперечным сечением (диаметром), например обсадной колонны, то появляется возможность дальнейшего увеличения воздействия на пласт с целью создания магистральных трещин, т.е. трещин с большей протяженностью и раскрытием за счет включения в узел для генерирования газов дополнительно трубчатых зарядов, размещенных по обоим концам узла для перфорации скважины. При срабатывании кумулятивных зарядов происходит инициирование (поджиг) трубчатых зарядов твердого топлива, окружающих узел для перфорации. Продукты горения поджигают дополнительные трубчатые заряды, что позволяет увеличить продолжительность импульса давления в скважине и создать трещины с еще большей протяженностью и раскрытием (устройство на фиг.4). Дополнительные заряды 16 размещены на корпусе 17, выполненном в виде полых цилиндров из стали, которые соединены с корпусом 6 узла для перфорации, например, резьбовым соединением.

Источники информации

1. Патент США 5355802, 18.10.1994.

2. Патент США 5775426, 07.07.1998.