устройство для вскрытия, газодинамической, виброволновой и солянокислой обработки пласта

Формула изобретения

Устройство для вскрытия, газодинамической, виброволновой и солянокислой обработки пласта, включающее корпусный кумулятивный перфоратор с головкой, с загерметизированными боковыми отверстиями, кумулятивными зарядами, наконечником, и две герметичные воздушные камеры с размещенными в них зарядами, которые имеют форму цилиндра с центральным каналом, причем отношение длины цилиндрической части канала к его диаметру составляет (6...28):1, кроме того, заряды недетонирующие, изготовлены из термостойкого газогенерирующего состава, содержащего следующие компоненты, мас.%: полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами 7 - 9; трансформаторное масло 5,60 - 6,50; дисилицид титана 0,60 - 1,50; карбонат стронция 0,10 - 0,50; модификатор горения 0,20 - 0,30; ароматическая аминокислота 0,03 - 0,11; ароматический амин 0,01 - 0,06; катализатор отверждения 0,01 - 0,1; аммоний хлористый - остальное.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к технике прострелочно-взрывных работ в скважинах. Оно может быть использовано для первичного и вторичного вскрытия прискважинной зоны пласта (ПЗП) с целью интенсификации добычи нефти.

Аналоги комплексного устройства, содержащие кумулятивные заряды (КЗ) и твердотопливные элементы (ТЭ), позволяющие проводить одновременно перфорацию и стимуляцию нефтегазовых пластов описаны в патентах США [1, 2].

Устройство [1], не содержащее корпуса, имеет комбинацию пороховых зарядов и взрывчатых кумулятивных зарядов, собираемых на каркасе. КЗ и ТЭ устройства чередуются между собой. При этом КЗ соединены детонирующим шнуром, а ТЭ - быстрогорящим огнепроводным шнуром. КЗ и ТЭ срабатывают в разное время.

У устройства сложная система запуска с двумя различными линиями инициирования. Поэтому возможны отказы при запуске, например, вследствие разрыва огнепроводного шнура. Из-за отсутствия общего корпуса, окружающего КЗ и ТЭ, коэффициент полезного действия устройства недостаточно высокий, так как часть продуктов сгорания топлива поглощается скважинной жидкостью.

Устройство [2] включает одновременно подвешенные на геофизическом кабеле перфоратор и газогенератор. Перфоратор располагается внизу. Устройство может использоваться с пакером. Недостатки этого бескорпусного устройства те же.

Аппаратом, содержащим КЗ и ТЭ в сборке, является устройство Stim-Gun - Stim-Tube [3]. Оно представляет собой перфоратор с цилиндрическим канальным пороховым элементом, расположенным вокруг его внешней поверхности. Воспламенение ТЭ производится от плазменных кумулятивных струй, создаваемых КЗ.

Недостатком устройства является сложность его конструкции, прежде всего из-за того, что при ограниченном внутреннем диаметре обсадной колонны перфоратор располагают внутри ТЭ. При его срабатывании возможно разрушение части ТЭ или образование отдельных его фрагментов от воздействия прожигающих плазменных струй КЗ. Соответственно будет потеря энергии. Свод топлива тонкий. Поэтому ТЭ должен быть достаточно прочным. Это затрудняет его изготовление. Известен аналог устройства для перфорации скважин и трещинообразования в призабойной зоне пласта, описанный в патенте РФ [4]. Устройство содержит соединенные с кабелем-тросом кумулятивный перфоратор с КЗ и пороховой генератор давления с ТЭ. Эти элементы расположены между КЗ или около них. Они не пересекают оси кумулятивных струй, создаваемых КЗ, и изготовлены из неметаллизированного баллиститного или смесевого твердого ракетного топлива. Длина и диаметр центрального канала ТЭ связаны соотношением (20...40):1, а содержание наполнителя-стабилизатора горения составляет не более 1,5% по отношению к массе топлива.

Описываемое устройство, в отличие от предыдущего, позволяет уменьшить разрушения ТЭ от воздействия плазменных струй, которые уже не пересекают свод топлива. Оно также работает в вибрационном режиме, обусловленном горением ТЭ. Такой режим, при котором в полости каналов ТЭ возникают периодические высокочастотные волны давления, повышает эффективность устройства за счет созданного в результате этого виброволнового воздействия на ПЗП.

Однако в рассмотренных вариантах устройства конкретно не указано, как их можно использовать: с заключенными в общий корпус КЗ и ТЭ или в бескорпусном аппарате. В первом случае, очевидно, эффективность от использования ТЭ будет выше, хотя могут быть потери энергии от дополнительного пробивания кумулятивных струй корпуса перфоратора.

Известен также аналог, описанный в патенте РФ [5]. Согласно ему, способ перфорации и обработки призабойной зоны скважины, а также устройство для его осуществления включают перфорацию скважины корпусным кумулятивным перфоратором (ККП) и имплозионное воздействие непосредственно в момент ее окончания для очистки сформированных перфорационных каналов от корочки запекания с помощью имплозионной камеры, внутренняя полость которой соединена с внутренней полостью перфоратора. После этого срабатывает термогазогенератор, соединенный с ККП соединительным узлом, в котором имеется решетка с заглушенными отверстиями. Продукты сгорания термогазогенератора поступают в корпус перфоратора и далее через отверстия в его корпусе по предварительно сформированным перфорационным каналам воздействуют непосредственно на каналы в ПЗП.

Устройство достаточно сложное, состоящее из трех отдельных частей - камер с ТЭ, КЗ, а также имплозионной камеры. Срабатывание ККП, создающего высокое давление от КЗ, может воздействовать на соединительный узел между термогазогенератором и перфоратором, нарушая его работу и приводя к последующему нерасчетному режиму горения ТЭ. Непонятно, зачем должна заполняться имплозионная камера скважинной жидкостью после срабатывания КЗ. Ведь последующее горение ТЭ из-за избыточного давления внутри ККП назад (из перфоратора) эту жидкость вытесняет. Имплозионная камера - нижний элемент устройства, ТЭ должен находиться в ней, и она должна функционировать после его сгорания. Кроме того, ТЭ устройства не горит в вибрационном режиме, который обуславливает наличие генерируемых в породах импульсов давления дополнительного воздействия на ПЗП.

Одним из аналогов заявляемого устройства также является комплексный аппарат МКАВ-150/100, состоящий из секции порохового генератора и секции кумулятивного перфоратора. Он описан в работе [6]. Заряды генератора прикреплены к профильному каркасу гибким тросом. Секция кумулятивного перфоратора представляет собой устройство, состоящее из сегментного или профильного каркаса, в резьбовых отверстиях которого закреплены кумулятивные заряды.

Срабатывание КЗ и ТЭ, расположенных сверху и снизу, происходит при инициировании детонирующего шнура, проходящего через каналы ТЭ, от взрывного патрона. При срабатывании детонирующий шнур может разрушать ТЭ на отдельные фрагменты. Это обстоятельство, а также отсутствие общего корпуса у КЗ и ТЭ, отделяющих их от скважинной жидкости, которая поглощает выделяющуюся при горении топлива энергию, не позволяют достичь достаточно высокой эффективности аппарата.

В работе [6] также описано устройство ПГД.ПКТ-150/100, включающее КЗ и ТЭ, спускаемое в скважину на трубах. В данном ККП эти элементы уже не находятся в скважинной жидкости. Недостатки устройства следующие. Перфорация через трубы уменьшает эффективность аппарата из-за ограничений по размерам КЗ. К тому же конструкция порохового газогенератора, состоящего из промежуточных ТЭ и сгорающих ТЭ, со сложной системой их инициирования, довольно сложная. Общим недостатком устройств МКАВ-150/100 и ПГД.ПКТ-150/100 является то, что ТЭ, используемые в них, не горят в вибрационном режиме и не оказывают, вследствие этого, виброволнового воздействия на перфорационные каналы и окружающие их горные породы.

Известно также устройство для вскрытия и газодинамической обработки прискважинной зоны пласта, описанное в патенте Российской Федерации №2194151 [7]. Оно включает ККП с головкой, с загерметизированными боковыми отверстиями, кумулятивными зарядами, наконечником и две герметизированные воздушные камеры с атмосферным давлением на концах перфоратора. В камерах размещены пороховые заряды, а между ними и КЗ помещены защитные шашки из недетонирующего смесевого топлива эластичного типа.

Недостатки устройства следующие. Имеется лишний элемент - защитные шашки из недетонирующего смесевого топлива эластичного типа. Они не являются препятствием для прохождения через них фронта детонации. Пороховые заряды, находящиеся в воздушных камерах, также не позволяют использовать устройство при температурах более +100°С. Пороховой заряд не горит в вибрационном режиме, который сопровождается появлением акустических волн в каналах ТЭ внутри первоначально воздушной полости ККП. Образование вызванных ими упругих волн в жидких и твердых средах должно усилить общее воздействие на образованные кумулятивными плазменными струями стенки перфорационных каналов и ПЗП. Топливо устройства также не позволяет выделить соляную кислоту. Обработка ПЗП с ее помощью, дополняющая виброволновое воздействие, как показано в патенте РФ [8], увеличивает дебит нефти.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции существующего ККП, содержащего дополнительно воздушные камеры с твердым топливом, за счет устранения лишнего элемента - защитной шашки из смесевого топлива, использования недетонирующего ТЭ, увеличение температурного диапазона эксплуатации устройства и его эффективности за счет дополнительного виброволнового воздействия на обсадную колонну и пласт продуктов сгорания топлива, содержащих соляную кислоту, движущихся за кумулятивной струей через созданные ею перфорационные каналы.

Задача решается следующим образом. Предлагается устройство для вскрытия и газодинамической обработки пласта, включающее корпусный кумулятивный перфоратор с головкой, с загерметизированными боковыми отверстиями, кумулятивными зарядами, наконечником и две герметичные воздушные камеры с размещенными в них зарядами. Заряды имеют форму цилиндра с центральным каналом, причем отношение длины цилиндрической части канала к его диаметру составляет (6...28):1. Кроме того, заряды недетонирующие изготовлены из термостойкого газогенерирующего состава, содержащего следующие компоненты, мас.%: полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами - 7...9; трансформаторное масло - 5,60...6,50; дисилицид титана - 0,60...1,50; карбонат стронция - 0,10...0,50; модификатор горения - 0,20...0,30; ароматическая аминокислота - 0,03...0,11; ароматический амин - 0,01...0,06; катализатор отверждения - 0,01...0,1; аммоний хлористый - остальное. Корпус перфоратора может иметь утонченные места по пути движения кумулятивных струй, создаваемых КЗ.

Недетонирующие свойства используемых зарядов обусловлены их составом, размерами и технологией изготовления. Виброволновая обработка пространства вокруг ККП с такими зарядами будет происходить только при указанном выше отношении длины цилиндрической части канала к его диаметру. Солянокислая обработка, дополняющая и усиливающая общее воздействие, обеспечивается данным рецептурным подбором топлива.

Устройство изобретения с загерметизированными боковыми отверстиями (вариант с двумя ТЭ) показано на фиг.1. На кабельной головке 1, подсоединенной к геофизическому кабелю, укреплена перфораторная головка 2, между корпусом перфоратора 3 и головкой 2 размещена верхняя герметичная воздушная камера 4, а между наконечником 5 и корпусом 3 размещена такая же нижняя герметичная воздушная камера 6. В корпусе перфоратора имеются загерметизированные боковые отверстия 7, внутри корпуса - кумулятивные заряды 8, детонирующий шнур 9 и взрывной патрон 10 с подходящим к нему электрическим проводом 11. Воздушные камеры содержат недетонирующие цилиндрические канальные заряды 12, которые изготовлены из газогенерирующего состава ТГ-1, согласно патенту РФ №2233975 [8]. Состав предназначен для высокопрочных скважинных элементов.

На фиг.2 изображено устройство, в котором корпус имеет утонченные места 7 (вместо загерметизированных отверстий) по пути движения кумулятивных струй.

Устройство (фиг.1) после опускания его в скважину работает следующим образом. По кабелю подают импульс электрического тока на взрывной патрон 10, от которого срабатывает детонирующий шнур 9, передающий детонационный импульс для инициирования кумулятивных зарядов 8. При срабатывании каждого КЗ образуется плазменная кумулятивная струя, которая проходит через боковые отверстия 7, возникшие за счет срыва заглушек, осуществляющих герметизацию ККП. Далее струя пробивает обсадную колонну и образует в породе перфорационный канал. Одновременно этот же импульс, создаваемый взрывным патроном 10, а также усиленный в момент срабатывания детонирующего шнура 9 и кумулятивных зарядов 8, приводит к воспламенению и последующему горению зарядов 12, которое происходит с некоторой временной задержкой после прохождения кумулятивной струи. Горение сопровождается появлением высокотемпературной соляной кислоты (до 20% от массы топлива), которая является следствием взаимодействия хлористого водорода и воды, выделяющихся в газообразных продуктах сгорания топлива. В определенное время также возникает вибрационный режим горения ТЭ, сопровождающийся высокочастотными (порядка нескольких килогерц) интенсивными волнами давления. Высокотемпературные, насыщенные соляной кислотой продукты сгорания начинают истекать через созданные кумулятивными струями боковые отверстия ККП в перфорационные каналы и далее в продуктивный пласт. От вибрационного горения ТЭ это истечение происходит в нестационарном режиме, сопровождающемся периодическими пульсациями газов.

Устройство (фиг.2) работает таким же образом. Только вместо срыва заглушек 7, показанных на (фиг.1), происходит прожигание утонченных мест 7 на корпусе 3. При этом металлических осколков от него не образуется. В прототипе такие осколки остаются.

В результате срабатывания устройств, показанных на фиг.1 и 2, осуществляется пульсирующие воздействия тепло- и массоприхода на стенки каналов и на прискважинную зону пласта при одновременном воздействии высокотемпературных паров соляной кислоты. Все это в совокупности усиливает разрушения как на стенках, так и в объеме пласта, а также приводят к другим благоприятным с точки зрения увеличения дебита нефти процессам в скважинной жидкости. В итоге эффективность обработки продуктивного пласта, по сравнению с перфорацией, проводимой прототипом, т.е. с ТЭ, не горящими в вибрационном режиме, с выделением соляной кислоты, повысится. К тому же температурный диапазон применения устройства возрастет.

После поднятия устройства из скважины его можно использовать повторно. Герметизация осуществляется установкой на корпусе новых вышибных заглушек или утонченных мест, предназначенных для прожигания кумулятивными струями.

Источники информации:

1. Патент США №5355802. МКИ 42В 3/300. Способ и устройство для перфорации скважин и создания трещин в пласте. Приор. 18.10.94.

2. Патент США №5551344. МКИ 42В 3/300. Способ и устройство для перфорации скважин и создания трещин в пласте. Приор 03.09.96.

3. Фельдман И.И. Сборка Stim-Gun и снаряд Stim-Tube компании Owen Oil Tools. Научно-технический вестник «Каротажник», №67. Изд. АИС. Тверь. 2000.

4. Патент РФ №2170339. МКИ 7 Е В 3/117. Устройство для перфорации скважин и трещинообразования в пласте (варианты). Кузьмицкий Г.Э., Аликин В.Н., Ильясов С.Е. и др. Приор. 27.07.1999. Опубл. 10.07.2001. Бюл. №19.

5. Патент РФ №2162514. МКИ 7 Е21В 43/117, 43/18, 43/25, 43/26. Способ перфорации и обработки призабойной зоны скважины и устройство для его осуществления. Падерин М.Г., Кулак В.В., Исхаков И.А. и др. Приор. 30.03.2000. Опубл. 27.01.2001. Бюл. №3.

6. Крощенко В.Д., Ликутов А.Р., Романенко B.C. и др. Создание комплексных аппаратов для одновременного вскрытия пластов и интенсификации притоков. Научно-технический вестник «Каротажник», №78. Изд. АИС. Тверь, 2002. С.51...58.

7. Патент РФ №2194151. МКИ 6 Е21В 43/263. Устройство для вскрытия и газодинамической обработки пласта. Дуванов А.М., Гайворонский И.Н., Воробьев Л.С. и др. Приор. 28.11.2000. Опубл. 10.12.2002.

8. Патент РФ №2233975. МКИ Е21В 43/248. Термостойкий газогенерирующий состав для высокопрочных скважинных элементов. Куценко Г.В., Пелых Н.М., Кусакин Ю.Н. и др. Приор. 04.11.2002. Опубл. 10.08.2004. Бюл. №22.