кумулятивный заряд и перфораторная система, содержащие энергетический материал

Формула изобретения

1. Кумулятивный заряд, содержащий оболочку (1) заряда, облицовку (5) и основную часть взрывчатого вещества (2), расположенную между оболочкой (1) заряда и облицовкой (5), причем оболочку (1) заряда или облицовку (5) формирует энергетический материал, отличающийся тем, что энергетический материал выбран из группы, состоящей из реактивного топлива, окислителя и их комбинации, хлорнокислого аммония и хлорнокислого калия или их комбинации, так что обеспечивается возможность инициирования изменения состояния энергетического материала от твердого вещества до, по существу, парофазной смеси, и энергетический материал содержит добавки вольфрама, или магния, или их комбинации.

2. Кумулятивный заряд по п.1, снабженный связанной с кумулятивным зарядом (10) перфораторной системой (20).

3. Кумулятивный заряд по п.1, в котором энергетический материал объединен с добавками, выбранными из группы, состоящей из сплавов вольфрама, сплавов магния, частиц связующего вещества, соединений на основе резины, синтетических волокон, Кевлара^®, стали, легированных сталей, цинка и комбинаций этих материалов.

4. Перфораторная система, содержащая корпус перфоратора и кумулятивный заряд (10) по любому из пп.1-3.

5. Перфораторная система по п.4, в которой корпус перфоратора содержит энергетический материал.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение в общем относится к области нефте- и газодобычи. Более конкретно настоящее изобретение относится к системе кумулятивного заряда и(или) корпусу стреляющего перфоратора. Точнее, настоящее изобретение относится к системе стреляющего перфоратора, в которой после детонации ее кумулятивного заряда сводится к минимуму количество обломков перфоратора, образующихся в стволе скважине при ее перфорации. Кроме того, конструкция перфораторной системы может предусматривать ее исчезновение при инициировании взрыва, благодаря чему не возникает необходимости извлекать из скважины остатки устройства.

Перфораторные системы, наряду с другими областями применения, используются для создания гидравлических соединительных проходов, называемых перфорационными каналами, в стволах скважин, пробуренных сквозь пласты породы, с тем, чтобы заранее определенные участки пластов могли быть гидравлически соединены со стволом скважины. Перфорационные каналы необходимы, поскольку стволы скважин обычно заканчивают коаксиальным введением труб или обсадных труб в ствол скважины, причем обсадные трубы фиксируются в стволе скважины закачиванием цементного раствора в кольцевое пространство между стволом скважины и колонной обсадных труб. Цементирование обсадной трубы в стволе скважины необходимо для гидравлической изоляции друг от друга различных пластов пород, вскрытых стволом скважины. Известно, что внутри этих пластов находятся нефтегазоносные слои, например резервуары. Как правило, скважины пересекают эти резервуары.

Перфораторная система обычно содержит один или более стреляющих перфораторов, связанных друг с другом, причем длина такой связки стреляющих перфораторов может иногда обеспечивать перфорацию на участке более тысячи футов. В состав стреляющих перфораторов входят кумулятивные заряды, обычно включающие оболочку заряда, облицовку и некоторое количество бризантного взрывчатого вещества, помещающегося между облицовкой и оболочкой заряда. При детонации бризантного взрывчатого вещества сила детонации разрушает облицовку и выталкивает ее с одного конца заряда с очень высокой скоростью в виде т.н. "реактивной струи". Реактивная струя вскрывает колонну обсадных труб, цемент и пласт породы.

Под воздействием образующихся при взрыве сил кумулятивный заряд и связанные с ним компоненты зачастую раздробляются на многочисленные обломки, причем некоторые могут попасть из стреляющего перфоратора во флюиды в стволе скважины. Эти обломки могут засорить, а также повредить оборудование, например штуцеры и манифольды, ограничивая тем самым поток флюида через эти устройства и, возможно, снижая количество углеводородов, извлекаемых из данной скважины.

В WO 2005/035939 описывается кумулятивный заряд, содержащий оболочку заряда, облицовку и основную часть взрывчатого вещества, расположенную между оболочкой заряда и облицовкой. При этом оболочку заряда и облицовку формирует энергетический материал, такой что после детонации оболочка заряда и облицовка могут быть израсходованы с уменьшением вероятности образования фрагментов. Например, энергетический материал представляет собой стехиометрическую смесь по меньшей мере двух металлов, способных активизироваться для получения интерметаллического продукта и тепла.

В DE 10224503 описывается кумулятивный заряд, содержащий оболочку заряда, облицовку и основную часть взрывчатого вещества, расположенную между оболочкой заряда и облицовкой. При этом оболочка заряда сформирована из пластикового или энергетического материала, легко воспламеняющегося, так что после детонации кумулятивный заряд, оболочка заряда не оставляют каких-либо обломков. Пластики включают нейлон, ПЭЭК, полимид, полисульфон, ПВХ, полиэтилен, фенопласт, полипропилен и другие пластиковые материалы, имеющие адекватную термостабильность для использования при требуемых операционных температурах.

В US 3235005 описывается кумулятивный заряд, содержащий оболочку заряда, облицовку и основную часть взрывчатого вещества, расположенную между оболочкой заряда и облицовкой. При этом облицовка выполнена из титана для обеспечения высокоэкзотермической реакции после детонации заряда.

В основе настоящего изобретения лежит задача обеспечения кумулятивного заряда и перфораторной системы для проведения операций по перфорации, при которых значительно уменьшается образование фрагментов от перфораторной системы и сводится к минимуму количество обломков.

Указанная задача решается посредством предлагаемого кумулятивного заряда, содержащего оболочку заряда, облицовку и основную часть взрывчатого вещества, расположенную между оболочкой заряда и облицовкой, причем оболочку заряда или облицовку формирует энергетический материал. Предлагаемый кумулятивный заряд отличается тем, что энергетический материал выбран из группы, состоящей из реактивного топлива, окислителя и их комбинации, хлорнокислого аммония и хлорнокислого калия и их комбинации, так что обеспечивается возможность инициирования изменения состояния энергетического материала от твердого вещества до по существу парофазной смеси, и при этом энергетический материал содержит добавки вольфрама или магния, или их комбинации.

В предпочтительных вариантах кумулятивный заряд снабжен связанной с кумулятивным зарядом перфораторной системой. Энергетический материал объединен с добавками, выбранными из группы, состоящей из сплавов вольфрама, сплавов магния, частиц связующего вещества, соединений на основе резины, синтетических волокон, Кевлара^®, стали, легированных сталей, цинка и комбинаций этих материалов.

В настоящем изобретении также предлагается перфораторная система, содержащая корпус перфоратора и описанный выше кумулятивный заряд.

В предпочтительном варианте корпус перфоратора содержит энергетический материал.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 представлен вид сечения одного из вариантов осуществления оболочки заряда;

на фиг.2 показан вид части сечения варианта осуществления перфораторной системы.

На фиг.1 представлен вид сбоку сечения в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения. Показанный вариант осуществления представляет кумулятивный заряд 10, содержащий оболочку 1 заряда, облицовку 5, взрывчатое вещество 2, детонатор 4 и, при необходимости, крышку 6. В одном варианте, материал оболочки 1 заряда и облицовка 5 могут содержать реакционно-способный (реактивный) энергетический материал, состояние которого может изменяться от твердого вещества до по существу парофазной смеси. Реакция энергетического материала (т.е., изменение его состояния) может быть инициирована вслед за активацией кумулятивного заряда 10. Инициирование реакции энергетического материала может быть осуществлено активацией кумулятивного заряда 10, либо отдельным инициирующим воздействием. Это, однако, должно произойти после активации кумулятивного заряда 10. Следует отметить, что изменение состояния энергетического материала может происходить одновременно с активацией кумулятивного заряда 10, либо через некоторое время после этого. В результате детонации кумулятивного заряда происходят изменения температуры и давления, которые в свою очередь изменяют состояние материала.

Материал может содержать экзотермический реакционно-способный материал, например окислитель или реактивное топливо. Примерами таких экзотермических реакционно-способных материалов могут служить, среди прочих, хлорнокислый аммоний и хлорнокислый калий, а также сочетания этих соединений. При реакции материала в результате детонации кумулятивного заряда происходит полное испарение энергетического материала после детонации, благодаря чему полностью отсутствуют осколки компонентов кумулятивного заряда 10 после подрыва.

При необходимости, энергетический материал может содержать добавки, включающие вольфрам, магний, сплавы магния, частицы связующего вещества, соединения на основе резины, синтетические волокна, Кевлар^®, сталь, легированные стали, цинк и комбинации этих материало. Такие добавки снижают чувствительность энергетического материала, предотвращая незапланированную реакцию материала. Кроме того, снижающие чувствительность добавки могут замедлить скорость реакции изменения состояния энергетического материала, снижая тем самым локальный скачок давления при испарении. Эти добавки также могут повысить прочность энергетического материала. Снижение чувствительности материала может быть особенно полезно, когда готовое изделие (т.е. облицовка или оболочка заряда) находится под воздействием факторов окружающей среды, которые могут вызвать преждевременное инициирование реакции материала, например, сильных ударов или вибраций, либо воздействий на материал повышенной температуры и(или) давления. Прочность материала важна, когда энергетический материал используется для формирования оболочки 1 кумулятивного заряда.

В настоящее время окислители используются в добыче углеводородов для создания давления в углеводородной эксплуатационной скважине. Такое увеличение давления может быть полезным для стимулирования продуктивного резервуара, который пересекается скважиной. Эти окислители формируются обычно в виде трубки, которая открыта в скважину и подрывается с результирующим ударным воздействием, которое разрушает материал, и воспламенением, создающим давление в скважине.

На фиг.2, где представлен дополнительный вариант осуществления предлагаемого в изобретении устройства, показана перфораторная система 20, размещенная на канате 15 в скважине 17, при этом скважина 17 пересекает пласт 9 пород. Следует, однако, заметить, что перфораторная система 20 может располагаться не только на канате, но также может устанавливаться на колонне труб, например, как при перфорации со спуском зарядов на лифтовой колонне, либо с использованием любого другого существующего или будущего метода развертывания и(или) управления перфораторной системой. Более того, особенности применения не ограничены конкретным порядком работы и могут включать простреливание труб при наличии в них давления, а также стреляющие головки. Показано, что перфораторная система 20 включает отдельные стреляющие перфораторы 22, объединенные в связку перфораторов. В корпусе перфораторов 22 сделаны отверстия 26 для установки в них кумулятивных зарядов, например раскрытых здесь кумулятивных зарядов. Детонация кумулятивных зарядов может быть инициирована с поверхности 7 по сигналу, передаваемому по канату 15 прямо к кумулятивным зарядам. При детонации кумулятивных зарядов образуются реактивные струи 24, которые проникают в пласт 9. Кроме кумулятивного заряда и облицовки, другие элементы перфораторной системы 20 могут состоять из энергетического материала, состояние которого изменяется вслед за детонацией кумулятивных зарядов. Другие элементы перфораторной системы 20, которые могут быть выполнены из энергетического материала, включают корпус стреляющего перфоратора, какие-либо соединительные отрезки трубы, скрепляющие корпуса соседних перфораторов, стволы перфоратора, и любой другой материал, который может содержать компонент перфораторной системы.

Таким образом, раскрытое здесь изобретение обеспечивает решение поставленных задач и достижения заявленных целей и указанных и других преимуществ. Несмотря на то что для раскрытия изобретения использовался представленный предпочтительный вариант его осуществления, многочисленные изменения могут быть сделаны в деталях его осуществления для достижения требуемых результатов. Например, описанное здесь изобретение может быть использовано с любой подходящей фазировкой кумулятивных зарядов, а также любой подходящей плотностью размещения кумулятивного заряда. Более того, изобретение может быть использовано со стреляющими перфораторами любого подходящего размера. Также надо отметить, что раскрытое здесь устройство не ограничено только кумулятивным зарядом, предназначенным для использования в стреляющем перфораторе, но также может включать кумулятивный заряд с любой баллистикой, например, по типу кумулятивных зарядов, используемых в оружии и пиротехнике. Специалисты могут без труда предложить эти, и иные аналогичные модификации, которые соответствуют существу раскрытого здесь изобретения и входят в область патентных притязаний приложенной формулы изобретения.