кумулятивный заряд для перфорации скважин

Формула изобретения

Кумулятивный заряд для перфорации скважин, выполненный в виде трех кумулятивных частей: центральной и боковых, вплотную пристыкованных к центральной, отличающийся тем, что комбинация трех кумулятивных частей образует единое целое, причем центральная часть - удлиненная с постоянным симметричным поперечным сечением, а боковые части образованы вращением половины поперечного сечения центральной части на 180° вокруг оси симметрии, кроме того, заряд находится в общем корпусе и имеет единую облицовку, выполненную из порошкового материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для использования в прострелочно-взрывной аппаратуре для вторичного вскрытия продуктивных пластов (перфорации нефте- и газодобывающих скважин) и обеспечивает создание перфорационных каналов в обсадных трубах с повышенной начальной площадью, а также может быть использовано в других отраслях для создания отверстий, перебивания элементов конструкций и разрушения материалов с использованием энергии взрыва.

В настоящее время известно большое количество различных конструкций зарядов для перфорации нефте- и газодобывающих скважин. Действие кумулятивных зарядов (КЗ) основано на способности кумулятивной струи, образуемой при детонации заряда взрывчатого вещества (ВВ) с облицованной кумулятивной выемкой, пробивать отверстия в преградах.

Как правило, скважины вскрывают пласт на всю его мощность, но они сообщаются с пластом через ограниченное число перфорационных отверстий в эксплуатационной колонне. Гидродинамическое несовершенство скважин влечет за собой появление дополнительных фильтрационных сопротивлений, возникающих в призабойной зоне и у стенок скважины в результате отклонения геометрии течения жидкости от плоскорадиального потока, а также в результате сгущения линий токов у перфорационных отверстий, вызывающих местное повышение скоростей движения жидкости.

С целью снижения значения коэффициента гидродинамического несовершенства скважин разработчики при создании новых конструкций зарядов для перфорации, как правило, стремятся увеличить глубину пробиваемых перфорационных каналов (до 800...1200 мм). Однако при малом начальном диаметре канала (около 10...12 мм), резко сужающемся по его длине, не происходит существенного повышения фильтрационной поверхности, причем узкая часть каналов либо вообще не работает, либо работает непродолжительное время. Кроме того, при заканчивании скважин с интенсификацией нефтепритока (например, при планировании гидроразрыва пласта), а также в неукрепленных коллекторах с пескопроявлением первостепенное значение имеет не глубина перфорационного канала, а величина его диаметра.

Вместе с тем на сегодняшний день большинство нефтяных компаний Западной Сибири достигли того порога, когда месторождения с "легкой нефтью", требующие минимум капитальных вложений, находятся на последней стадии разработки, падающей добычи. В то же самое время большие запасы углеводородов сосредоточены в низкопроницаемых коллекторах, либо обладают такими геолого-физическими свойствами, которые делают разработку данных залежей традиционными методами неэффективной. Для освоения данных природных ресурсов необходимо применение методов увеличения нефтеотдачи (МУН), что требует создания в обсадной колонне перфорационных отверстий с большой площадью сечения. Однако специально созданные для этих целей осесимметричные кумулятивные заряды (заряды типа "Big Hole") ведущих отечественных и мировых производителей пробивают в обсадной колонне отверстия с начальной площадью не более 2...7 см ² и глубиной 140...220 мм [Каталоги Halliburton, Schlumberger, ФГУП "Металлист" и др.]. Дальнейшее совершенствование конструкции данных зарядов в плане увеличения диаметра перфорационного отверстия является практически исчерпанным, так как требует увеличения габаритов взрывных устройств, при этом возникают непреодолимые трудности их размещения в скважине.

Известен также кумулятивный перфоратор (Патент RU 2291285 от 10.01.2007), содержащий неразрушающийся при взрыве корпус в виде трубы, в котором посредством деталей крепления установлены детонирующие удлиненные заряды с продольной кумулятивной выемкой, соединенные детонирующим шнуром со взрывателем. Перфоратор такой конструкции позволяет значительно увеличить удельную площадь вскрытия пласта за счет использования удлиненных кумулятивных зарядов (вместо осесимметричных). Однако использование удлиненных кумулятивных зарядов (УКЗ), применяемых в настоящее время для взрывной резки конструкций, не позволяет достичь желаемой глубины канала.

Прототипом изобретения является кумулятивный заряд для глубокой перфорации нефтяных и газовых скважин (Патент RU 2197601 от 30.01.2001), наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению. Данный заряд содержит центральную кумулятивную секцию, две боковые кумулятивные секции, вплотную и диаметрально пристыкованные к внешней поверхности центральной секции, детонирующий шнур, подведенный только к центральной секции для обеспечения задержки времени взрыва боковых секций, центральная кумулятивная секция выполнена конической по внешней боковой поверхности, а боковые секции выполнены с возможностью обеспечения слияния струй всех трех секций в одну за счет объемной фокусировки, кроме того, кумулятивные воронки выполнены из пресс-порошкового материала.

Однако заряд данной конструкции предназначен для глубокой перфорации скважин, а его применение не позволяет получать перфорационные отверстия в обсадной трубе с повышенной начальной площадью.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение притока нефти или газа в полость трубы скважины за счет увеличения начальной площади перфорационных каналов в обсадной колонне при сохранении достаточной глубины перфорации и обеспечения возможности более эффективного использования методов увеличения нефтеотдачи.

Технический результат достигается тем, что комбинация трех кумулятивных частей заряда образует единое целое, причем центральная часть является удлиненной и имеет постоянное симметричное поперечное сечение, а боковые части образованы вращением половины поперечного сечения центральной части на 180° вокруг оси симметрии, причем заряд расположен в общем корпусе и имеет единую кумулятивную облицовку, выполненную из порошкового материала.

На фиг.1 представлен вид спереди кумулятивного заряда в разрезе по продольной оси симметрии.

На фиг.2 представлен поперечный разрез кумулятивного заряда (вид слева).

Фиг.3 - кумулятивный заряд (вид сверху).

На фигурах: 1 - корпус заряда, 2 - взрывчатое вещество, 3 - кумулятивная облицовка, 4 - детонирующий шнур, l - длина центральной части кумулятивного заряда, r - радиус боковой части кумулятивного заряда.

Работа предлагаемого устройства. Инициирующий импульс передается заряду ВВ посредством, например, детонирующего шнура (4). В результате взрывчатого превращения заряда ВВ из центральной и боковых частей кумулятивного заряда формируются кумулятивные потоки, состоящие из частиц облицовки (3) и продуктов детонации, которые при высокоскоростном взаимодействии с материалом преграды (обсадная труба, цементное кольцо и продуктивный пласт) образуют в последней перфорационные каналы.

Если при подрыве осесимметричного КЗ из кумулятивной облицовки формируется струя (точка в проекции на плоскость пробиваемой преграды), то из облицовки УКЗ формируется так называемый кумулятивный «нож» (линия в проекции на плоскость пробиваемой преграды), в результате чего концентрация энергии растягивается.

Форма боковых частей кумулятивного заряда позволяет сформировать два кумулятивных потока (две кумулятивных струи), направленных в область внедрения кумулятивного «ножа» в преграду. Дополнительное действие кумулятивных струй обеспечивает увеличение глубины пробития по сравнению с УКЗ.

При изготовлении заряда выбор длины его центральной части в диапазоне (0...10)r позволяет регулировать форму перфорационного отверстия и глубину формируемого канала. Так, с ее увеличением происходит увеличение площади образующегося перфорационного отверстия, при этом глубина канала уменьшается. При уменьшении длины центральной части показатели, характеризующие эффективность действия заряда, стремятся к показателям аналога - осесимметричного КЗ.

Предлагаемая конструкция заряда позволяет значительно увеличить начальную площадь перфорационных каналов по сравнению с зарядами типа "Big Hole" за счет перераспределения энергии взрыва по площади прорезаемой преграды, что обеспечивается наличием центральной части. По сравнению с УКЗ увеличивается глубина пробития за счет формирования высокоскоростных кумулятивных потоков из боковых частей заряда.

Таким образом, совокупность (комбинация) трех кумулятивных частей (центральной и двух боковых), являющихся единым зарядом, позволяет одновременно увеличить площадь перфорационных отверстий и глубину прорезаемого канала.

Кумулятивная облицовка заряда выполняется из порошковых материалов, что обеспечивает увеличение коэффициента перехода материала облицовки в струю, а следовательно, увеличение глубины пробития преграды, а также не приводит к запестовыванию сформированного канала.

Пример конкретного выполнения. Испытаны заряды, имеющие длину центральной части 15, 30 и 45 мм и ширину кумулятивной облицовки 40 мм. Испытания проводились по комбинированной мишени, представляющей собой стальную пластину толщиной 10 мм и бетонный блок толщиной 500 мм, выдержанный при затвердевании в воде в течение 28 дней. В результате испытаний зарядов получены перфорационные отверстия, имеющие соответственно начальную площадь 5,5; 8,9; 11,5 см² и глубиной соответственно 350; 180 и 150 мм.