устройство для инициирования перфоратора нефтяной скважины

Формула изобретения

1. Устройство для инициирования перфоратора нефтяной скважины, характеризующееся тем, что оно содержит первую воспламенительную головку, прикрепленную к упомянутому перфоратору, предназначенную для формирования первого сигнала подрыва при подаче первого возбуждающего сигнала на упомянутую первую воспламенительную головку, вторую воспламенительную головку, прикрепленную к упомянутому перфоратору, предназначенную для формирования второго сигнала подрыва при подаче второго возбуждающего сигнала на упомянутую вторую воспламенительную головку, первое средство, предназначенное для передачи первого сигнала подрыва к кумулятивным зарядам, находящимся в упомянутом перфораторе, причем первое средство содержит первую перегородку, расположенную между кумулятивными зарядами и первым средством, причем первая перегородка препятствует передаче инициирующего воздействия низкого порядка от упомянутого первого средства к упомянутым кумулятивным зарядам, второе средство, предназначенное для передачи второго сигнала подрыва к кумулятивным зарядам, находящимся в упомянутом перфораторе, причем второе средство содержит вторую перегородку, расположенную между кумулятивными зарядами и вторым средством, причем вторая перегородка препятствует передаче инициирующего воздействия низкого порядка от упомянутого второго средства к упомянутым кумулятивным зарядам, первое и второе средства для передачи инициирующего воздействия изолированы друг от друга, вследствие чего инициирование одного из средств передачи инициирующего воздействия не вызывает инициирования другого средства передачи инициирующего воздействия.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая воспламенительная головка включает в себя воспламенительную головку пневматического действия.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая воспламенительная головка включает в себя воспламенительную головку ударного действия.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит замедлитель расположенный между первой воспламенительной головкой и первым средством передачи инициирующего воздействия.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вторая воспламенительная головка включает в себя воспламенительную головку пневматического действия.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит замедлитель расположенный между второй воспламенительной головкой и вторым средством передачи инициирующего воздействия.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первое средство передачи содержит передаточный кумулятивный заряд, предназначенный для проникновения через упомянутую первую перегородку в результате детонации упомянутого передаточного кумулятивного заряда.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второе средство передачи содержит передаточный кумулятивный заряд, предназначенный для проникновения через упомянутую вторую перегородку в результате детонации упомянутого передаточного кумулятивного заряда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области систем перфорации нефтяных скважин. Более конкретно, настоящее изобретение относится к системам, предназначенным для передачи детонирующих сигналов от инициирующего заряда взрывчатого вещества к кумулятивным зарядам в составе перфорационного блока для простреливания нефтяной скважины.

Описание смежных областей техники

Заканчивание скважин, пробуренных в нефтяных пластах для извлечения нефти и газа, выполняется обычно путем соосного помещения внутрь скважины обсадной трубы, которая иначе называется обсадной колонной. Гидравлическая связь пройденных горизонтов с пробуренной скважиной обеспечивается посредством выполнения отверстий в обсадной колонне, которые называются перфорациями. В типичном случае выполнение перфораций в обсадной колонне осуществляется посредством детонации внутри обсадной колонны кумулятивных зарядов взрывчатых веществ на глубине рядом с пластами, из которых намечается добывать нефть и газ. Кумулятивные заряды составляют таким образом, чтобы направлять энергию детонации взрывчатых веществ по суженной схеме, которая называется "кумулятивной струей", пробивая отверстие в обсадной колонне.

Инициирование кумулятивных зарядов происходит с помощью детонирующего сигнала, который передается от инициатора через полую металлическую, матерчатую или пластмассовую трубку, заполненную бризантным взрывчатым веществом большой мощности. Инициатором может служить электрический капсюль-детонатор с веществом типа азида свинца, инициатор электрического действия типа взрывного электровоспламенительного мостика (ИВМ), инициатор электрического действия типа взрывной фольги (ИВФ) и инициатор ударного действия на базе взрывчатых веществ. Заполненная взрывчатым веществом трубка применяется в большинстве случаев под названием "детонирующий шнур". Известный в данной области техники тип детонирующего шнура поставляет в коммерческую продажу фирма "Энсайн Бикфорд Кампани" под товарным наименованием "ПРИМАКОРД".

Инициирующий взрывной снаряд ударного действия применяется, как правило, в системах перфорации нефтяных скважин, известных под названием "трубчатых передаточных" систем. Как известно специалистам в данной области техники, перфораторы на базе трубчатых передаточных систем используются для простреливания перфораций в нефтяной скважине без необходимости введения внутрь скважины электрического кабеля. Специалистам в данной области техники также хорошо известно, что выполнение перфораций в нефтяной скважине без введения внутрь скважины электрического кабеля позволяет достигать инициирования кумулятивных зарядов и как следствие этого пробивания перфораций при намного более низком давлении внутри скважины, чем гидростатическое давление нефти и газа в пределах нефтяного пласта, в результате чего полученные перфорации могут обладать повышенным гидравлическим коэффициентом полезного действия.

Инициаторы ударного действия, входящие в состав трубчатых передаточных систем, приводятся в действие стержнем или "ломом", который сбрасывают на инициатор с поверхности земли вниз по скважине. Другой вариант инициатора ударного действия, который называется инициатором "пневматического действия", имеет поршень с ограничителем в виде срезных штифтов, смонтированных внутри корпуса. С одного конца корпус герметично изолирован от воздействия давления в скважине, тогда как тыльная сторона поршня испытывает на себе воздействие давления в скважине через открытый противоположный конец корпуса. На скважину можно воздействовать гидростатическим давлением, создавая его на земной поверхности в устье скважины. Давление передается на тыльную сторону поршня до тех пор, пока воздействующее на поршень гидравлическое усилие не превысит предел прочности при сдвиге срезных штифтов. При разрушении срезных штифтов поршень высвобождается, получает возможность передвигаться и ударяет по инициатору, инициируя взрыв тем же способом, что и инициирование со сбрасыванием вниз лома.

В некоторых случаях с помощью инициаторов, известных в данной области техники, не удается обеспечить детонацию кумулятивных зарядов, потому что бризантное взрывчатое вещество, находящееся в инициаторе и/или детонирующем шнуре, подвергается сгоранию вместо взрыва. Такой вид отказа называется отказом "низкого порядка". Особая трудность, характерная для трубчатых передаточных систем, когда в них происходит отказ низкого порядка, связана с тем, что дополнительный инициирующий заряд, передающий детонирующий сигнал от детонирующего шнура в верхнюю часть структуры перфоратора, в которой содержатся кумулятивные заряды, может в результате отказа низкого порядка получить повреждение, после чего весь блок перфоратора целиком обычно приходится извлекать из скважины, разбирать и перезаряжать, что может стать трудным и дорогостоящим мероприятием.

Поэтому известные в данной области техники трубчатые передаточные перфорационные системы оснащены, как правило, вторым инициатором, который позволяет, в том случае, если не происходит срабатывания первого инициатора и связанного с ним детонирующего шнура, а значит, и детонации кумулятивных зарядов, преодолевать отказ, приводя в действие этот второй инициатор. Подобные системы называются системами двойного резервирования с воспламенительным механизмом. Недостатком известных в данной области техники систем двойного резервирования с воспламенительным механизмом является свойственная им вероятность повреждения дополнительного инициирующего заряда в результате отказа низкого порядка в первом инициаторе, в результате которого - даже при качественной детонации второго инициатора - может не произойти передачи детонирующего сигнала к кумулятивным зарядам.

В данной области техники известен способ, позволяющий предотвращать повреждения дополнительного инициирующего заряда за счет создания преграды между дополнительным инициирующим зарядом и детонирующим шнуром. Через эту преграду может проходить кумулятивный заряд, расположенный в одном конце детонирующего шнура, который осуществляет взрывное проникновение сквозь преграду лишь при условии надлежащего инициирования "высокого порядка" детонирующего шнура. Описание подобной системы с преградой приводится, например, в Патенте США N 4.650.009, выданном Маклюру и другим. Однако система, о которой идет речь в Патенте N 4.650.009, предназначена для использования с одним инициатором и детонирующим шнуром либо для передачи детонирующего сигнала по одному взрывному пути через последовательно связанные секции перфоратора. Поэтому система, о которой идет речь в Патенте N 4.650.009, непригодна для применения в системах со стреляющим механизмом с резервированием, поскольку в ней имеется всего один кумулятивный заряд. Отказ низкого порядка первого инициатора способен причинить повреждение кумулятивного заряда, в результате которого даже при правильной детонации второго инициатора не будет происходить детонация кумулятивного заряда, препятствуя нормальной детонации перфорированного блока в целом.

Соответственно, задачей изобретения является создание системы перфоратора с воспламенительным механизмом с резервированием, которая способна вызывать детонацию кумулятивных зарядов даже после отказа низкого порядка в первом инициирующем заряде взрывчатых веществ и/или детонирующем шнуре.

Краткое изложение сущности изобретения

Данное изобретение относится к устройству для инициирования перфоратора нефтяных скважин. Устройство содержит первую воспламенительную головку для формирования первого сигнала подрыва при подаче первого возбуждающего сигнала на первую воспламенительную головку и вторую воспламенительную головку для формирования второго сигнала подрыва при подаче второго возбуждающего сигнала на вторую воспламенительную головку. Устройство включает в себя первое средство передачи первого сигнала подрыва к кумулятивным зарядам, находящимся внутри перфоратора. Первое средство передачи первого сигнала подрыва включает в себя первую перегородку, расположенную между кумулятивными зарядами и первым средством передачи, которая препятствует передаче инициирующего воздействия низкого порядка от первого средства передачи первого сигнала подрыва к кумулятивным зарядам. Устройство включает в себя второе средство для передачи второго сигнала подрыва к кумулятивным зарядам. Второе средство передачи второго сигнала подрыва включает в себя вторую перегородку, расположенную между кумулятивными зарядами и вторым средством передачи, которая препятствует передаче инициирующего воздействия низкого порядка от второго средства передачи второго сигнала подрыва к кумулятивным зарядам.

В одном из вариантов осуществления изобретения первая воспламенительная головка включает в себя воспламенительную головку ударного действия, а вторая воспламенительная головка - воспламенительную головку пневматического действия (приводимую в действие под давлением).

В другом варианте изобретения вторая воспламенительная головка включает в себя замедлитель, размещенный между второй воспламенительной головкой и вторым средством передачи второго сигнала подрыва к кумулятивным зарядам.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображен перфоратор нефтяной скважины с трубчатым типом передачи, расположенный внутри скважины.

На фиг. 2А, 2Б, 2В приведено более детальное изображение устройства, соответствующего изобретению.

Описание предпочтительных вариантов изобретения

Как показано на фиг. 1, скважина 2, пробуренная в недрах земли, проходит сквозь пласт 22, содержащий нефть и газ. Формирование скважины 2 заканчивается обычно вводом стальной трубы, называемой обсадной колонной 4, в скважину 2, по меньшей мере, сквозь пласт 22. Обсадная колонна 4 гидравлически изолируется с наружной стороны путем закачивания цемента, как показано позицией 6, в кольцевое затрубное пространство между скважиной 2 и обсадной колонной 4.

Внутри скважины 2 находится трубопровод 8, соосно введенный внутрь обсадной колонны 4. Специалистам в данной области техники понятно, что помещение трубопровода 8 внутрь обсадной колонны 4 повышает скорость протекания жидкостей в процессе добычи из пласта 22, что позволяет выводить на поверхность вместе с нефтью и газом жидкости более высокой плотности, в частности воду, которая может производиться из того же пласта 22. Наружная сторона трубопровода 8 обычно герметично соединяется с внутренней стороной обсадной колонны 4 с помощью кольцевого уплотнения, которое называется пакером, обозначенным позицией 10. Трубопровод 8 и обсадная колонна 4 выводятся на поверхность земли через устье скважины 24. Специалистам в данной области техники понятно, что блок устья 24 обычно включает в себя вентили 24A и 24B, позволяющие регулировать расход потока жидкости из трубопровода 8 и кольцевого межтрубного пространства между трубопроводом 8 и обсадной колонной 4.

В пакере 10 может находиться закрепленное в его нижнем конце эксплуатационное оборудование. В данном изобретении предусматривается комплект эксплуатационного оборудования, в состав которого входит перфоратор с трубчатой передачей. Специалистам в данной области техники понятно, что перфоратор 12 состоит из герметичного перфораторного корпуса 20, в котором заключены кумулятивные заряды взрывчатых веществ (не показанные отдельно для большей наглядности иллюстрации) и детонирующий шнур (здесь не показан) для передачи сигнала подрыва, который формируется воспламенительной головкой и передается к каждому отдельному кумулятивному заряду, как описано ниже.

Перфоратор 12 обычно включает в себя первую воспламенительную головку 16, причем первая воспламенительная головка прикреплена к перфоратору. Первая воспламенительная головка 16 формирует сигнал подрыва, когда оператор системы сбрасывает с поверхности земли "лом" (здесь не показан), и который, пройдя через трубопровод 8, контактирует с инициатором ударного действия (отдельно здесь не показан), являющимся составной частью первой воспламенительной головки 16. В другом варианте изобретения первая воспламенительная головка 16 может включать в себя инициатор пневматического действия (здесь не показан), который вызывает формирование сигнала подрыва первой воспламенительной головки 16 в тот момент, когда на воспламенительную головку 16 воздействует с поверхности земли давление, превышающее установленную величину. Как "сбрасываемый" лом, так и пневматические инициаторы известны в данной области техники.

Перфоратор 12 согласно настоящему изобретению оснащен также второй воспламенительной головкой 18, причем вторая воспламенительная головка также прикреплена к перфоратору. Во второй воспламенительной головке имеется обычно инициатор пневматического действия, описанный в предыдущем изложении. Вторая воспламенительная головка 18 входит в состав перфоратора 12, обеспечивая его подрыв в том случае, если с помощью первой воспламенительной головки 16 не удается вызвать детонацию перфоратора 12.

Перфоратор 12 может также включать в себя переходник потока 14. Открывание переходника потока 14 может происходить под воздействием давления установленной величины на трубопровод 8 или под ударом описанного ранее "сброшенного лома", используемого для инициирования первой воспламенительной головки 16 при условии, что первая воспламенительная головка 16 выполнена с возможностью инициирования "сбрасываемым ломом".

Специалистам в данной области техники понятна возможность установления гидравлической связи скважины 2 с пластом 22 в результате детонации перфоратора 12. Когда происходит детонация перфоратора 12, кумулятивные заряды (здесь не показаны), размещенные в корпусе 20, методом взрыва простреливают сквозные отверстия или перфорации в обсадной колонне 4, цементе 6 и, по меньшей мере, в определенной части пласта 22. Детонация перфоратора 12 достигается в большинстве случаев вследствие срабатывания первой воспламенительной головки 16, о чем говорилось выше. Но если детонации первой воспламенительной головки 16 вызвать не удается, то можно, воздействуя давлением заданной величины на трубопровод 8, инициировать вторую воспламенительную головку 18.

Преимущества данного изобретения поясняются ниже со ссылками на фиг. 2. Вторая воспламенительная головка 18 включает в себя соединительный переходник 26, обеспечивающий механическое соединение с первой воспламенительной головкой (16 на фиг. 1). Первый заряд передачи детонации 34, показанный в общем виде в центре соединительного переходника 26, размещается вблизи верхнего конца соединительного переходника 26. Первый заряд передачи детонации 34 может принадлежать к одному из известных в данной области техники типов, построенных на применении бризантных взрывчатых веществ, например HMX (циклотетраметилентетранитрамина) или HNS (гексанитростильбена). Первый заряд передачи детонации 34 принимает сигнал подрыва, сформированный воспламенительной головкой (16 на фиг. 1), и методом подрыва осуществляет передачу детонирующего сигнала к первому детонирующему шнуру 62. Первый детонирующий шнур 62 может представлять собой средство, известное специалистам в данной области техники, например систему заполненных бризантным взрывчатым веществом гибких труб, которые поставляет в коммерческую продажу фирма "Энсайн Бикфорд Кампани" под торговым наименованием "ПРИМАКОРД".

Первый детонирующий шнур 62 размещен внутри первого канала 36. Первый канал 36 просверливается через соединительный переходник 26 и переходник перегородки 55, соединенный с нижним концом соединительного переходника 26. Первый канал 36 изолирует силу детонации первого детонирующего шнура 62, поэтому детонация или сгорание в случае отказа "низкого порядка" в первом детонирующем шнуре 62, не инициирует и не повредит второй детонирующий шнур 52, как будет объяснено ниже. Первый детонирующий шнур 62 заканчивается у кумулятивного заряда 64 первого инициатора, размещенного в канале переходника перегородки 55. Если взрывной детонации первого детонирующего шнура 62 не происходит или в нем происходит отказ "низкого порядка", то взрывной детонации первого инициирующего заряда 64 достичь не удается и первая перегородка 66, расположенная под первым инициирующим зарядом 64, остается нетронутой. В дальнейшем изложении будет объясняться значение того факта, что первая перегородка 66 остается нетронутой. С другой стороны, при надлежащей детонации первого детонирующего шнура 62 обеспечивается взрывное инициирование кумулятивного заряда 64 первого инициатора и дальнейшее взрывное проникновение сквозь первую перегородку 66. В результате взрывного проникновения сквозь первую перегородку 66 инициируется передаточный детонирующий шнур 58, который может быть изготовлен из материала, аналогичного материалу первого детонирующего шнура 62.

Рабочая часть второй воспламенительной головки 18 включает поршень 44, размещенный внутри цилиндра 44A. Цилиндр 44A монтируется в общем случае в центре соединительного переходника 26. Поршень 44 может быть герметично закреплен во внутренней части цилиндра 44A с помощью уплотнительных колец 42 и 43. Одна сторона поршня 44 остается открытой воздействию внешнего по отношению к перфоратору (12 на фиг. 1) давления через отверстие 40A в верхней части цилиндра 44A. Через отверстие 40A осуществляется гидравлическое соединение с внешней стороной перфоратора 12 по каналу 40, проходящему сквозь стенку соединительного переходника 26. Канал 40 может быть защищен от имеющихся в скважине (2 на фиг. 1) жидкостей с помощью защитной втулки 28, имеющей герметичное уплотнение в виде уплотнительного кольца 38. Канал 40 и защитная втулка 28 образуют вместе сифонный разрыв, который может на земной поверхности заполняться различными жидкостями, например водой или консистентной силиконовой смазкой, препятствующими поступлению скважинных жидкостей в канал 40 в процессе размещения перфоратора (12 на фиг. 1) в скважине (2 на фиг. 1).

Движение поршня 44 внутри цилиндра 44A ограничивается набором срезных штифтов 46. Конструктивное исполнение срезных штифтов 46 предусматривает их разрушение под воздействием усилия заданной величины, прилагаемого поршнем 44. Путем обеспечения при конструировании срезных штифтов их разрушения при заданном уровне усилия поршня можно таким образом вызывать движение поршня 44 в результате воздействия давления определенной величины.

Нижний блок поршня 44 включает в себя воспламенительную чеку 48. Когда воздействующее на канал 40 давление достигает достаточной величины, поршень 44 обеспечивает разрушение срезных штифтов 46 и движется дальше по направлению вниз.

Воспламенительная чека 48 в результате приложенного усилия приводится в контакт с взрывчатым веществом ударного действия 50, находящимся в нижней части соединительного переходника 26, и инициирует взрывчатое вещество 50. Взрывчатое вещество 50 ударного действия может быть одного из видов, известных в данной области техники.

Инициирование взрывчатого вещества 50 ударного действия вызывает, в свою очередь, инициирование второго детонирующего шнура 52. Второй детонирующий шнур 52 располагается в специальной канавке в удерживающем переходнике 53, прикрепленном в нижней части к соединительному переходнику 26.

В другом варианте изобретения вместо взрывчатого вещества 50 ударного действия можно воспользоваться пиротехническим замедлителем ударного инициирования (здесь не показан), вводимым между воспламенительной чекой 48 и взрывчатым веществом 50, вызывающим вслед за тем инициирование второго детонирующего шнура 52. Замедлитель, пригодный к применению в данном изобретении, описан, например, в Патенте США N 4614156, выданном Колле и другим. Специалистам в данной области техники понятно, что замедлитель (здесь не показан) позволяет оператору системы сбрасывать воздействующее на трубопровод (8 на фиг. 1) давление, используемое для приведения в действие второй воспламенительной головки 18. По истечении времени замедления создаются условия для продолжения инициирования второго детонирующего шнура 52 и дальнейшего функционирования перфоратора (12 на фиг. 1) при минимальном давлении внутри скважины 2. Замедлитель может быть включен между первой воспламенительной головкой 16 и первым детонирующим шнуром 62.

Как объяснялось выше, второй детонирующий шнур 52 изолирован от первого детонирующего шнура 62, поэтому выгорание или взрывная детонация первого детонирующего шнура 62 не вызовут ни инициирования, ни повреждения второго детонирующего шнура 52. Второй детонирующий шнур 52 заканчивается в кумулятивном заряде 54 второго инициатора, расположенного в другом канале внутри корпуса перегородки 55. Второй инициирующий кумулятивный заряд 54 может в принципе совпадать по типу конструкции с новым инициирующим кумулятивным зарядом 64. Второй инициирующий кумулятивный заряд 54 располагается над второй перегородкой 56, вызывая срабатывание второго инициирующего кумулятивного заряда 54 в результате взрывной детонации второго детонирующего шнура 52. При срабатывании второго инициирующего кумулятивного заряда 54 следует взрывное проникновение сквозь вторую перегородку 56. Шнур 58 передачи может иметь U-образную форму, как показано на фиг. 2, и в этом случае на другом его конце создаются условия, при которых проникающий взрыв второго инициирующего кумулятивного заряда 54 может вызвать инициирование шнура 58 передачи вслед за проникновением через перегородку 56 с помощью первого или второго 54 инициирующего кумулятивного заряда.

Детонация передаточного шнура 58 ведет к инициированию второго передаточного заряда 60, расположенного в верхней части корпуса (20 на фиг. 1), внутри которого находятся кумулятивные заряды (здесь не показаны) для простреливания обсадной колонны (4 на фиг. 1). Второй передаточный заряд 60 может совпадать по конструктивному принципу с первым передаточным зарядом 34.

Корпус перегородки 55, корпус фиксатора 53 и все остальные элементы, которые, как указывалось выше, расположены в одном из этих корпусов, находятся внутри корпуса воспламенительной головки 32. В свою очередь, корпус воспламенительной головки 32 плотно крепится с одного конца к нижней части соединительного переходника 26, а с другого конца - к верхней части корпуса перфоратора 20.

Значительным преимуществом, обеспечиваемым настоящим изобретением, является невозможность повреждения передаточного шнура 58 и второго передаточного заряда 60 вследствие отказа низкого порядка в первом детонирующем шнуре 62, поскольку воздействие отказа низкого порядка не сможет привести к прорыву первой перегородки 66. Специалистам в данной области техники понятно, что в типичном случае под отказом низкого порядка понимается реакция горения бризантного взрывчатого вещества. Реакция горения бризантного взрывчатого вещества в состоянии разрушить любое бризантное взрывчатое вещество, которое участвует в вышеупомянутой реакции горения, инициируя подобную реакцию горения в данном бризантном взрывчатом веществе. В данном изобретении предусматривается перегородка, проникновение сквозь которую возможно лишь в результате взрывной детонации первого 64 или второго 54 инициирующего зарядов, поэтому отказ низкого порядка в какой-либо одной детонационной системе не сможет сам по себе привести к отказу всего перфоратора в целом (12 на фиг. 1). В большинстве случаев представляется возможным, приводя в действие вторую воспламенительную головку 18, вызывать эффективную детонацию перфоратора 12 даже в тех случаях, когда срабатыванием первой воспламенительной головки (16 на фиг. 1) не удается детонировать перфоратор 12 или когда в первом детонирующем шнуре 62 произошел отказ низкого порядка.

Специалистам в данной области техники могут разработать альтернативные варианты данного изобретения без изменения сущности изобретения, описанного в настоящей заявке. Поэтому объем изобретения должен ограничиваться только пунктами формулы изобретения.