Способ термодинамической перфорации обсаженной скважины и устройство для его осуществления

 

Использование: в горной промышленности, в частности в способах перфорации обсаженных скважин, преимущественно при вскрытии слабоконсолидированных продуктивных пластов, а также пластов, расположенных вблизи газо- и водонефтяных контактов. Сущность изобретения: используют сопловой блок с камерой сгорания и зарядом твердого топлива. Сжигают заряд твердого топлива с получением сверхзвуковой высокотемпературной газоабразивной струи. Направляют струю на преграду и осуществляют перфорацию эрозионным воздействием до образования в стенке обсадной колонны, затрубном цементном камне и продуктивной породе каверны. Обеспечивают через нее канал гидродинамической связи скважины с продукативным пластом. Затем поверхность каверны очищают продувкой. После этого на эту поверхность наносят пористое фильтрующее покрытие. При этом приемы перфорации, продувки каверны и нанесения на ее поверхность фильтрующего покрытия осуществляют на основе различных составов продуктов сгорания заряда твердого топлива, с изменением температуры и режима истечения продуктов сгорания. Устройство для термодинамической перфорации обсаженной скважины включает корпус, помещенные в нем камеру сгорания с зарядом твердого топлива, сопловой блок и воспламенитель. Устройство снабжено вкладышем, размещенным между зарядом твердого топлива и сопловым блоком. Оно выполнено с возможностью поворачивания и стабилизации струи продуктов сгорания. Для фиксации устройство имеет прижим к обсадной колонне. Он выполнен в виде цилиндра с дифференциальным поршнем. Надпоршневая полость его связана с полостью камеры сгорания. Заряд твердого топлива включает слой с эрозионными добавками, слой с добавками для продувки и слой с добавками пористого фильтрующего покрытия. Они выполнены с возможностью их последовательного сгорания. Устройство имеет наружный бронирующий стакан. Он установлен в корпусе с зазором, который залит вязким компаундом. Наружные поверхности соплового блока и камеры сгорания выполнены с защитным отражающим экраном. 2с. и 2 з. п. ф-лы. 8 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к способам перфорации обсаженных скважин, преимущественно для вскрытия слабоконсолидированных продуктивных пластов, а также пластов, расположенных вблизи газо- и водонефтяных контактов.

Известен способ перфорации сверлящим перфоратором [1] Пласт вскрывают путем сверления отверстия диаметром 14 16 мм, в связи с чем не могут повреждаться ударным импульсом ни обсадная колонна, ни цементный камень.

В этом заключается принципиальное отличие и преимущество сверлящей перфораторации над торпедным, кумулятивным и пулевым способами перфорации при вскрытии пластов, расположенных вблизи газо- и водонефтяных контактов, где недопустимо разрушение изолирующего цементного камня.

Недостатками способа являются невысокая производительность сверлящего перфоратора вследствие частых прихватов сверла и отказов электромеханического привода, а также интенсивное запескование скважины при вскрытии слабоконсолидированных продуктивных пластов.

Известен способ вскрытия пластов со слабоконсолидированной структурой породы [2] в соответствии с которым опускают в обсаженную скважину на одиночной трубной колонне органы для образования гравийной набивки, имеющие фильтр и перфоратор. Осуществляют перфорацию скважины и подают гравий через трубную колонну и органы для образования гравийной набивки в обсаженную скважину вокруг фильтра. Извлекают пластовую жидкость через отверстия перфорации, гравий и фильтр вверх по скважине на поверхность земли.

Недостатками способа являются его высокая трудоемкость и ограничение при вскрытии вблизи контактных зон из-за повреждения затрубного цементного камня кумулятивной или пулевой перфорацией.

Известен способ термомеханического бурения скважин высокотемпературными газообразивными струями, в соответствии с которым сжигают топливную смесь в призабойной части скважины и вводят в нее на участке разгона абразивные частицы [3] Недостатком способа является невысокая скорость струи, что значительно снижает эффективность способа.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ термодинамического разрушения минеральных сред сверхзвуковой струей высокотемпературного газа [4] который получают сжиганием смеси углеводородного горючего и окислителя в замкнутом объеме камеры сгорания, направляют его через сопловую насадку на разрушаемую поверхность.

Достоинство способа состоит в том, что его применение не приводит к разрушению цементного камня.

Недостатком способа является образование в продуктивной породе обширной каверны, способствующей интенсивному пескопроявлению из слабоконсолидированных пластов.

Целью изобретения является безударное образование перфорационного канала и предотвращение выноса песка из пласта в скважину.

Поставленная цель достигается тем, что поэтапно изменяя состав, температуру и режим истечения продуктов сгорания, образующих высокотемпературную струю, сначала посредством эрозионного воздействия образуют в стенке обсадной колонны, затрубном цементном камне и продуктивной породе каверну, служащую каналом гидродинамической связи с пластом, затем очищают поверхность каверны продувкой и потом наносят на поверхность каверны фильтрующее покрытие с заданной пористостью.

Предлагаемый способ может быть совмещен с известными способами перфорации: кумулятивной и пулевой. В этом случае предварительно перфорируют колонну известным способом, а затем производят обработку полученного канала высокотемпературной газовой струей.

Наиболее близким к предлагаемому устройству для осуществления способа является устройство аппарата АСГ105К [5] Аппарат состоит из камер сгорания, в которых размещаются пороховые заряды, каждая камера снабжена сопловым переходником с коническим каналом и сменным сопловым вкладышем, воспламенитель размещен в межкамерном переходнике.

Известное устройство имеет следующие недостатки: 1) использование сопловых переходников с повернутыми на 90 градусов соплами приведет к возникновению вращающего момента вокруг поперечной оси аппарата и значительной прижимной силы, в результате действия которых аппарат будет произвольно перемещаться относительно стенки скважины при истечении струи, что недопустимо при реализации предлагаемого способа; 2) конструкция порохового заряда и камеры сгорания прототипа не может обеспечить необходимых в предлагаемом способе переменных режимов истечения продуктов сгорания; 3) истечение струи в глухую преграду приводит к образованию возвратной струи, которая действует в стесненных условиях скважины на поверхность аппарата разрушает камеру сгорания.

Осуществить предлагаемый способ позволяет устройство, в котором заряд твердого топлива состоит из сгорающих в следующей последовательности слоев: слоя эрозионного воздействия (в состав топлива которого в одном из вариантов исполнения включено от 15 до 30% мелкодисперсного порошка металлов термитной группы или их сплавов с диаметром агломератов от 100 до 300 мкм), слоя продувки, слоя нанесения фильтрующего покрытия (в состав топлива которого в одном из вариантов исполнения входит до 40% порошка металлов с диаметром агломератов от 50 до 1000 мкм); заряд помещен в бронирующий стакан, зазор между стаканом и внутренней поверхностью камеры залит вязким компаундом, между зарядом и сопловым блоком размещен поворачивающий и стабилизирующий поток продуктов сгорания вкладыш, наружные поверхности соплового блока и камеры сгорания защищены от действия возвратной струи экраном отражателя, камера сгорания снабжена прижимом, ориентирующими удерживающим ее от перемещений в обсадной колонне, который выполнен в виде дифференциального поршня, установленного с возможностью возвратного перемещения в цилиндре, причем полость цилиндра сообщается с полостью камеры.

По мнению автора отличительные существенные признаки как способа, так и устройства для его осуществления позволяют реализовать поставленную цель и обуславливают соответствие предлагаемого технического решения критерию изобретения "новизна".

Автору не известно использование совокупности отличительных признаков способа и устройства в других областях техники, что дает основание считать, что предложенное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Изобретение обеспечивает получение нескольких технических результатов.

Предложенные способ и устройство могут быть также использованы для прожигания отверстия в стенке обсадной колонны в верхней части окна зарезания при бурении второго ствола скважины. Прожигание отверстия, достаточного для захода бурового инструмента (фрезы) под малым углом к оси скважины, существенно упрощает начальный этап сложной и трудоемкой операции фрезерования колонны. Прожигание требуемого отверстия может быть осуществлено многократным спуском предложенного устройства в интервал фрезерования с ориентацией соплового блока на верхнюю часть окна зарезания.

Предложенное устройство может быть использовано и для ликвидации выжиганием оставленного на забое инструмента (долот и др.).

Предложенные способ и устройство могут быть использованы для резки прихваченных в скважине насосно-компрессорных и бурильных труб. В этом случае сопловой блок устройства должен быть оснащен одним или несколькими рядами сопловых вкладышей, расположенных по окружности.

Предложенное устройство может быть использовано для образования протяженных каналов в породе в случае оснащения его выдвигаемым в направлении дна каверны сопловым насадком.

На фигурах 1 8 иллюстрируются последовательность этапов способа и результаты воздействия струи на преграду, вариант способа совмещающего кумулятивную и термодинамическую перфорации, варианты исполнения устройства, вариант использования изобретения при зарезании второго ствола скважины и для образования протяженных каналов в породе, а также образец перфорированной в скважинных условиях комбинированной преграды.

На фиг. 1 показано образование каверны в преграде на этапе эрозионного воздействия. В камере сгорания 1 с соплом 2 получают сверхзвуковую высокотемпературную газовую струю 3 с абразивными частицами 4. Струя разрушает стенку обсадной колонны 5, слой затрубного цементного камня 6 и образует каверну 8 в продуктивной породе 7. При этом происходит расширение газового пузыря 9 в скважинной жидкости.

На фиг.2 показана продувка каверны газовой струей с выносом частиц шлама 10. Продувку проводят в форсированном режиме, при котором границе газового пузыря 9 сообщается дополнительный импульс к расширению.

На фиг. 3 показан этап нанесения на поверхность каверны 8 фильтрующего покрытия 11, который осуществляют в т.н. "режиме выбега" при падающем давлении в камере сгорания и низкой скорости струи. Объем газового пузыря стремительно сокращается, поверхности 9 после нанесения покрытия схлопываются.

На фиг.4 иллюстрируется совместное действие кумулятивной и термодинамической перфораций, при котором в отверстие пробивного кумулятивной струей канала 12 наносят фильтрующее покрытие 11.

На фиг. 5 показан один из вариантов исполнения устройства. Устройство состоит из камеры сгорания 1, соплового блока 13, соплового вкладыша 14 с герметизирующим колпачком 15, воспламенителя 16, помещенного под пробку 17. Заряд твердого топлива, состоящий из слоя эрозионного воздействия 18, слоя продувки 19, слоя нанесения фильтрующего покрытия 20, заключен в бронирующий стакан 21 (который может быть выполнен в виде единого цилиндра, содержащего заряд с зеркальным расположением воспламенителя, как показано в варианте). Зазор между стаканом и внутренней поверхностью камеры сгорания заполнен вязким компаундом 22. Между зарядом и сопловым блоком размещен вкладыш 23, предназначенный для направления и стабилизации потока продуктов сгорания. Наружные поверхности соплового блока и камеры защищены от действия возвратной струи экраном 24. Камера снабжена прижимом, в виде дифференциального поршня 25 с пружиной 28, установленного в цилиндре 26, который в свою очередь сообщается с полостью камеры 1 каналом 27. В соединениях устройства установлены уплотнительные элементы 29, 30, 31, 32, герметизирующие полость камеры при гидростатическом давлении скважинной жидкости 34 и при сгорании заряда. Прижим показан в исходном и рабочем положении, в котором он упирается в стенку обсадной колонны 33.

На фиг.6 также показан вариант исполнения устройства, который отличается от изображенного на фиг.5 формой заряда твердого топлива, формой направляющего вкладыша 23 и отсутствием нижнего прижима 25.

Устройства действуют следующим образом: воспламенитель поджигает заряд, продукты сгорания через направляющий вкладыш и сопло истекают наружу и срывают герметизирующий колпачок. Преодолевая давление скважинной жидкости продукты сгорания образуют расширяющийся присгорании двух первых слоев заряда газовый пузырь и воздействуют на преграду. Давление в камере сгорания приводит в действие прижим. После сгорания последнего слоя заряда камера заполняется скважинной жидкостью, и прижим под действием пружины и перепада давления на дифференциальном поршне возвращается в исходное состояние.

На фиг.7 показан вариант использования изобретения при зарезании второго ствола скважины. Устройство 36 в варианте, показанном на фиг.6, на кабеле 30 спускается в зону зарезания и сочленяется плоскостью 39 с плоскостью 38 клиновидного башмака 37. Устройство образует в стенке обсадной колонны отверстие и каверну 8. Операция повторяется до образования отверстия необходимого для захода фрезы 40, спускаемой на бурильных трубах 41. Дальнейшее фрезерование колонны для забуривания второго ствола 35 сложности не представляет.

На фиг.8 иллюстрируется вариант оснащения устройства выдвижным насадком 42, который позволяет углубить каверну 8.

Формула изобретения

1 1. Способ термодинамической перфорации обсаженной скважины, включающий использование соплового блока с камерой сгорания и зарядом твердого топлива с получением сверхзвуковой высокотемпературной газоабразивной струи, направление последней на преграду и осуществление перфорации, отличающийся тем, что в качестве объекта перфорации принимают стенку обсадной колонны, затрубный цементный камень и породу продуктивного пласта, а перфорацию осуществляют эрозионным воздействием до образования в стенке обсадной колонны, затрубном цементном камне и породе продуктивного пласта каверны и обеспечения через нее канала гидродинамической связи скважины с продуктивным пластом, затем поверхность каверны очищают продувкой, после чего на эти поверхности наносят пористое фильтрующее покрытие, при этом приемы перфорации, продувки каверны и нанесение на ее поверхность фильтрующего покрытия осуществляют на основе различных составов продуктов сгорания заряда твердого топлива с изменением температуры и режима истечения продуктов сгорания.2 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что до осуществления эрозионного воздействия в преграде образуют канал кумулятивным или пулевым зарядом.2 3. Устройство для термодинамической перфорации обсаженной скважины, включающее корпус, помещенные в нем камеру сгорания с зарядом твердого топлива, сопловой блок и воспламенитель, отличающееся тем, что оно снабжено вкладышем, размещенным между зарядом твердого топлива и сопловым блоком, выполненным с возможностью поворачивания и стабилизации струи продуктов сгорания, и прижимом для фиксации устройства в обсадной колонне, выполненным в виде цилиндра с дифференциальным поршнем, надпоршневая полость которого связана с полостью камеры сгорания, а заряд твердого топлива включает слой с эрозионными добавками, слой с добавками для продувки и слой с добавками пористого фильтрующего покрытия, выполненными с возможностью их последовательного сгорания, и наружный бронирующий стакан, установленный в корпусе с зазором, который залит вязким компаундом, при этом наружные поверхности соплового блока и камеры сгорания выполнены с защитным отражающим экраном.2 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что сопловой блок имеет насадок, выполненный с возможностью его выдвижения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8