устройство для улучшения фильтрации пласта в его прискважинной зоне

Формула изобретения

1. Устройство для улучшения фильтрации пласта в его прискважинной зоне, включающее заряды твердого топлива, помещенные в камере, по меньшей мере одной, кумулятивные заряды, помещенные в другой камере, по меньшей мере одной, средство подвески устройства в скважине, узел инициирования горения зарядов твердого топлива и/или подрыва кумулятивных зарядов, при этом камера с зарядом твердого топлива соединена с камерой кумулятивных зарядов узлом с осевым проходным каналом и с отверстиями, выполненными по боковой поверхности и загерметизированными с возможностью истечения, в рабочем положении устройства, продуктов горения зарядов твердого топлива в скважину под давлением в их камере не менее чем в 3 раза выше гидростатического давления в скважине и в течение времени стабилизации трещин пласта.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет возможность воспламенения зарядов твердого топлива при срабатывании кумулятивных зарядов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что заряды твердого топлива имеют центральные сквозные каналы и расположены на каркасе в виде трубок с элементами крепления к камере, при этом трубки проходят через центральные сквозные каналы зарядов, а сами заряды зафиксированы на каркасе с помощью упругих ограничителей, вставленных в пазы, расположенных на трубках по длине зарядов.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что заряды твердого топлива имеют дополнительные сквозные периферийные каналы, расположенные симметрично центральному сквозному каналу.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что камеры с зарядами твердого топлива установлены поочередно с камерами кумулятивных зарядов, а узел инициирования имеет детонирующий шнур, помещенный в трубках всех камер зарядов твердого топлива, при этом толщина и материал трубок выбраны так, чтобы при срабатывании детонирующего шнура обеспечить воспламенение зарядов твердого топлива по их внутренним поверхностям, образованным центральными сквозными каналами.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что загерметизированные отверстия в муфтах выполнены ступенчатыми, при этом на ступеньку с отверстием меньшего диаметра оперт сплошной диск, рассчитанный на гидростатическое давление в скважине и зафиксированный снаружи герметизирующей пробкой.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия по боковой поверхности в узле соединения камер с зарядом твердого топлива и кумулятивными зарядами ориентированы в зону действия кумулятивных зарядов.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что все камеры с зарядами твердого топлива или часть этих камер имеют загерметизированные отверстия по боковой поверхности.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство подвески устройства в скважине выполнено в виде колонны насосно-компрессорных труб.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел соединения камеры с зарядом твердого топлива выполнен в виде муфтового резьбового соединения, при этом отверстия по боковой поверхности выполнены в муфте.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство выполнено секционным, в котором камеры с зарядами твердого топлива чередуются с камерами, содержащими кумулятивные заряды.

12. Устройство по п.1 или 11, отличающееся тем, что камеры с зарядами твердого топлива выполнены удлиненными - в виде набора секций с разъемными соединениями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для увеличения фильтрационных свойств продуктивного пласта в зоне его вскрытия за счет создания трещин.

Известно устройство для улучшения фильтрации пласта в его прискважинной зоне, включающее камеру в корпусе с зарядом твердого топлива, кумулятивные заряды, средство подвески устройства в скважине и узел инициирования горения твердого топлива (патент РФ №2162514 от 27.01.2001).

Во время работы устройства продукты горения заряда твердого топлива проникают в скважину и перфорационные каналы в пласте, создавая в них давление разрыва и трещины.

Недостатком устройства является значительная потеря энергии газов при их истечении в скважину и пласт через множественные сопротивления в устройстве. Кроме того, вероятность попадания струи газов - продуктов горения заряда твердого топлива в пласт через перфорационные каналы мала даже при наличии центраторов из-за естественного смещения устройства от первоначального положения. В результате эффективность применения известного устройства чрезвычайно низкая.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы устройства за счет создания оптимальных условий истечения продуктов горения зарядов твердого топлива из устройства в скважину и создания во всем обрабатываемом интервале, включая интервал вскрытия пласта, зоны устойчивых трещин.

Технический результат достигается тем, что устройство для улучшения фильтрации пласта в его прискважинной зоне включает заряды твердого топлива, помещенные в камере, по меньшей мере, одной, кумулятивные заряды, помещенные в другой камере, по меньшей мере, одной, средство подвески устройства в скважине, узел инициирования горения зарядов твердого топлива и/или подрыва кумулятивных зарядов, при этом камера с зарядом твердого топлива соединена с камерой кумулятивных зарядов узлом с осевым проходным каналом и с отверстиями, выполненными по боковой поверхности и загерметизированными с возможностью истечения, в рабочем положении устройства, продуктов горения зарядов твердого топлива в скважину под давлением в их камере не менее чем в 3 раза выше гидростатического давления в скважине и в течение времени стабилизации трещин пласта.

Кроме того:

устройство имеет возможность воспламенения зарядов твердого топлива при срабатывании кумулятивных зарядов;

заряды твердого топлива имеют центральные сквозные каналы и расположены на каркасе в виде трубок с элементами крепления к камере, при этом трубки проходят через центральные сквозные каналы зарядов, а сами заряды зафиксированы на каркасе с помощью упругих ограничителей, вставленных в пазы, расположенных на трубках по длине зарядов;

заряды твердого топлива имеют дополнительные сквозные периферийные каналы, расположенные симметрично центральному сквозному каналу;

камеры с зарядами твердого топлива установлены поочередно с камерами кумулятивных зарядов, а узел инициирования имеет детонирующий шнур, помещенный в трубках всех камер зарядов твердого топлива, при этом толщина и материал трубок выбраны так, чтобы при срабатывании детонирующего шнура обеспечить воспламенение зарядов твердого топлива по их внутренним поверхностям образованными центральными сквозными каналами;

загерметизированные отверстия в муфтах выполнены ступенчатыми, при этом на ступеньку с отверстием меньшего диаметра оперт сплошной диск, рассчитанный на гидростатическое давление в скважине и зафиксированный снаружи герметизирующей пробкой;

отверстия по боковой поверхности в узле соединения камер с зарядом твердого топлива и кумулятивными зарядами ориентированы в зону действия кумулятивных зарядов;

все камеры с зарядами твердого топлива или часть этих камер имеют загерметизированные отверстия по боковой поверхности;

средство подвески устройства в скважине выполнено в виде колонны насосно-компрессорных труб;

узел соединения камеры с зарядом твердого топлива выполнен в виде муфтового резьбового соединения, при этом отверстия по боковой поверхности выполнены в муфте;

устройство выполнено секционным, в котором камеры с зарядами твердого топлива чередуются с камерами, содержащими кумулятивные заряды;

камеры с зарядами твердого топлива выполнены удлиненными в виде набора секций с разъемными соединениями.

Сущность изобретения заключается в том, что оно, в отличие от предшествующего уровня техники, обеспечивает создание давления в скважине во всем интервале установки устройства в течение необходимого времени, включая интервал перфорации, достаточного для разрыва пласта и создания сети трещин в пласте с минимальными потерями энергии. В этой области образуется газожидкостная смесь (смесь продуктов горения и скважинной жидкости), проникающая в перфорационные каналы, а так как давление создается во всем интервале, то точного попадания струи газов из камеры с кумулятивными зарядами в перфорационные отверстия, вероятность которого мала, не требуется. Таким образом, создаются условия для регулирования импульса давления в интервале перфорации при различных геолого-технических условиях и более эффективного воздействия на пласт.

Для этого в устройстве предусмотрена возможность истечения продуктов горения зарядов твердого топлива через боковые отверстия в узле соединения камер (с зарядами твердого топлива и с кумулятивными зарядами) или через отверстия в камерах с зарядами твердого топлива, выполненных по боковой поверхности и, например, в нижней части этих камер. Эти боковые отверстия выполнены с возможностью истечения продуктов горения в скважину с определенным отношением давления в камере к гидростатическому давлению в интервале обработки. Диаметр этих отверстий, их количество и массу заряда твердого топлива определяют расчетным путем.

Все фактические значения давления разрыва лежат в пределах между величинами полного горного и гидростатического давлений (Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти. М.: «Недра», 1983, стр.157). На основании большого статистического материала предложены следующие приближенные значения:

- для скважин глубиной до 1000 м давление разрыва в пределах от 1,74 до 2,57 гидростатического давления.

- для скважин глубиной более 1000 м давление разрыва в пределах 1,32 до 1,97 гидростатического давления.

Эти данные были учтены при математическом моделировании процессов, происходящих при истечении продуктов горения из камер в скважину. Было принято, что при обработке пластов на различных глубинах давление разрыва больше гидростатического в 2,5 раза для всех типов пластов.

Как показали численные расчеты, проведенные для зарядов с различными энергетическими характеристиками и при различных геолого-технических условиях, для достижения давления разрыва истечение газов из камеры должно происходить при отношении давления в камере к гидростатическому давлению в интервале обработки не менее чем в 3 раза.

Например, на глубине 1000 м при гидростатическом давлении 100 атм, давление разрыва составит 2,5×100=250 атм, а для достижения в скважине этого давления в камере должно быть 600 атм, т.е. в 6 раз больше гидростатического. На глубине 4000 м при гидростатическом давлении 400 атм и давлении разрыва 2,5×400=1000 атм получили давление в камере 1600 атм, т.е. в 4 раза больше гидростатического при применении твердотопливного заряда с теми же энергетическими характеристиками, как и в первом случае.

Дополнительным требованием к данной технологии является стабилизация раскрытых трещин. После возникновения трещины разрыва и снятия нагрузки трещина может сомкнуться. Для пород в большом диапазоне отношения модулей Юнга при нагрузке и разгрузке (E₂ /E₁=3-10) для образования остаточной трещины давление в скважине Р_с может находиться в пределах (Желтов Ю.П. Деформации горных пород. М.: Недра, 1966. стр.87):

(Р_с-Р_пл )/Р_бг=1,1-1,5,

где Р _пл - пластовое давление, P_бг - боковое горное давление.

Приняв Р_пл=Р _бг, горное давление Р_г=2,5Р _гидр, а для прочных пород Р_бг=0,4Р _г, получаем максимальную оценку давления для образования остаточных трещин:

Р_с=Р _пл+1,5Р_бг=2,5Р_гидр ,

где Р_гидр - гидростатическое давление в зоне обработки.

Полученная максимальная оценка давления для образования остаточных трещин соответствует принятому выше давлению разрыва.

Кроме того, необходимо учитывать импульсный характер воздействия на пласт заявляемым устройством. При рассмотрении деформации горных пород с учетом динамических усилий установлено (Желтов Ю.П. Деформации горных пород. М.: Недра, 1966. стр.35-37), что напряженное состояние породы на некотором расстоянии от скважины не будет отличаться от стационарного через определенное время. Полученное в указанном источнике соотношение позволяет оценить это время. При воздействии на пласт заявляемым устройством длина трещин по расчетным данным находится в пределах от 1 до 5 м, при этом время установления напряжения в этой области для пород с различными физико-механическими характеристиками составляет 0,01-0,1 с. Поэтому для создания в пласте остаточной трещины необходимо не только достигнуть соответствующего давления для разрыва пласта и образования остаточной трещины, но и обеспечить продолжительность воздействия для установления стационарного напряженного состояния на контуре трещины, т.е. обеспечить необходимое время стабилизации трещины.

При фиксированных геометрических параметрах устройства (размеры камер, число отверстий и их диаметр в муфтах и камерах) давление в камере задают массой заряда твердого топлива и определяют расчетным путем для достижения оптимального отношения к гидростатическому давлению в интервале обработки.

Заряды твердого топлива имеют центральный сквозной канал и расположены на каркасе, выполненном в виде трубки с наружным диаметром под сквозной канал и с возможностью крепления к герметичной камере, причем заряды зафиксированы с помощью упругих фиксаторов, вставленных в пазы, расположенные на трубке по длине зарядов. Каркас позволяет обеспечить необходимое расстояние между зарядами твердого топлива в герметичных камерах и кумулятивными зарядами, чтобы исключить деформацию или разрушение зарядов твердого топлива при срабатывании перфоратора. Детонирующий шнур, соединяющий узел инициирования с кумулятивными зарядами перфоратора, расположен в трубках каркаса всех герметичных камер. При этом материал и толщина трубки выбраны так, чтобы при срабатывании детонирующего шнура исключить образование трещин в зарядах и дополнительных поверхностей горения и обеспечить возможность воспламенения зарядов твердого топлива только по их внутренним поверхностям, образованным центральными сквозными каналами. Таким образом, воспламенение зарядов твердого топлива в их камерах предусмотрено как продуктами детонации кумулятивных зарядов, так и детонирующим шнуром.

Такое конструктивное решение дает возможность при чередовании камер с кумулятивными зарядами и камер с зарядами твердого топлива инициировать кумулятивные заряды одним шнуром, проходящим через эти камеры.

Заряды твердого топлива могут иметь дополнительные периферийные сквозные каналы, которые позволяют увеличить расход газов в скважину и управлять величиной давления в интервале обработки. При этом каналы выполнены симметрично центральному сквозному каналу, а количество каналов, их диаметр и расстояние между ними определены расчетным путем для задания определенного режима горения зарядов.

Камеры кумулятивных зарядов могут чередоваться с камерами зарядов твердого топлива по длине устройства, что позволяет осуществить обработку сложно-построенных коллекторов, где пласты (продуктивные) разнесены. В таких случаях количество камер кумулятивных зарядов и твердого топлива определяют мощностью (высотой) продуктивных пластов, подлежащих перфорации, и расстоянием между ними.

Загерметизированные отверстия в узле соединения камер или в камерах с зарядами твердого топлива могут быть выполнены ступенчатыми. На ступеньку с отверстием меньшего диаметра опирается сплошной диск, зафиксированный снаружи герметизирующей пробкой большего диаметра, например, из пластичного полимерного материала, а материал и толщину диска выбирают так, чтобы выдержать гидростатическое давление в скважине.

Для локализации воздействия на пласт путем направления струи газов в обрабатываемый интервал оси загерметизированных отверстий в муфтах могут быть ориентированы в зону действия кумулятивных зарядов. При этом необходимо обеспечить динамическую уравновешенность устройства. Это может быть обеспечено, например, за счет расположения камер с зарядами твердого топлива по концам камер с кумулятивными зарядами.

Камеры с зарядами твердого топлива могут иметь загерметизированные отверстия на боковой поверхности. Эти отверстия позволяют увеличить массовый расход продуктов горения в скважину и задать не только амплитуду давления в скважине, но и необходимое время нарастания давления, что влияет на процесс трещинообразования в пласте. При этом количество и диаметр отверстий определяют расчетным путем с учетом режима горения зарядов.

Устройство по изобретению можно спускать в скважину не только на кабеле, но также и на насосно-компрессорных трубах (НКТ). В этом случае крепление к НКТ может быть предусмотрено, например, с помощью муфты верхней камеры с зарядами твердого топлива. При этом узел инициирования выполнен, например, в виде адиабатической стреляющей головки, которая срабатывает, например, от штанги, сбрасываемой с устья, или от создаваемого перепада давления в НКТ.

На фиг.1 показан общий вид устройства. Устройство присоединено к кабелю 1 с помощью кабельного наконечника 2 с узлом инициирования в виде взрывного патрона. На концах камеры 3 с кумулятивными зарядами 4 расположены камеры 5 с зарядами твердого топлива 6, зафиксированными на трубке 7 упругими зажимами 8. Внутри трубки 7 расположен детонирующий шнур 9, соединяющий узел инициирования в кабельном наконечнике 2 с кумулятивными зарядами 4. Муфтами 10 с заглушенными отверстиями 11 верхняя камера и нижняя соединены в полый корпус 3. Нижняя муфта заглушена наконечником 12.

Устройство работает следующим образом. Устройство спускают в скважину на геофизическом кабеле 1 и устанавливают в интервале обработки. По команде оператора подают электрический сигнал по кабелю к узлу инициирования в кабельном наконечнике 2. Импульс электротока поступает на взрывной патрон, который инициирует детонирующий шнур 9, передающий детонацию кумулятивным зарядам 4. При срабатывании кумулятивных зарядов образуют перфорационные каналы в пласте, а продукты детонации кумулятивных зарядов и детонирующего шнура воспламеняют заряды твердого топлива в камерах, продукты горения которых истекают в скважину через отверстия в камере кумулятивных зарядов и отверстия 11 в муфтах, выбивая заглушки в них. В результате в скважине создают область повышенного давления, охватывающую весь интервал перфорации. Газожидкостная смесь под действием повышенного давления проникает в перфорационные каналы, раскрывая в пласте трещины. Величину давления в камере и продолжительность истечения продуктов горения в скважину определяют в зависимости от гидростатического давления в интервале обработки так, чтобы достичь давления раскрытия трещин и их стабилизации. Эти параметры обеспечивают массой и геометрическими характеристиками зарядов твердого топлива, а также диаметром отверстий в муфтах.

На фиг.2 показан вариант выполнения устройства для обработки двух пластов мощностью 1 м и 3 м, расположенных на расстоянии 2 м друг от друга. Устройство включает два корпуса перфоратора 3 длиной 1 м и 3 м и пять герметичных камер 5 длиной 1 м каждая с зарядами твердого топлива.

Устройство работает следующим образом. После инициирования детонирующего шнура срабатывают кумулятивные заряды в двух корпусах перфоратора 3, продукты детонации которых воспламеняют заряды твердого топлива 6 в герметичных камерах 5. Продукты горения зарядов твердого топлива истекают в скважину и создают повышенное давление во всех интервалах обработки.

В варианте осуществления этого изобретения, приведенного на фиг.3, устройство спускают в скважину на НКТ 14, а узел инициирования выполнен в виде адиабатической стреляющей головки 13, при этом крепление устройства к НКТ со стреляющей головкой осуществляют с помощью муфты 10 верхней камеры 5.