Универсальная головка-детонатор скважинного перфоратора (варианты) - RU2175379C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к скважинным перфораторам, предназначенным для перфорации обсадной трубы в скважине добычи углеводорода. В частности, настоящее изобретение относится к универсальной головке-детонатору, срабатывание которой осуществляется механически, или под действием перепада давления текучей среды или под действием абсолютного давления текучей среды и сопровождается детонацией находящегося в скважине перфоратора.

При добыче нефти или газа из подземной геологической формации в ствол скважины, пробуренной в геологической формации, обычно опускается обсадная труба. При добыче из геологической формации жидких углеводородов обсадная труба перфорируется с помощью перфоратора, содержащего большое количество кумулятивных зарядов взрывчатого вещества, которые взрываются при срабатывании головки-детонатора. При срабатывании головки-детонатора происходит детонация первичного заряда взрывчатого вещества, которая сопровождается воспламенением промежуточного детонатора, соединенного с запальным шнуром перфоратора. Запальный шнур передает взрывную волну к кумулятивным зарядам, при взрыве которых образуются струи взрывчатого газа, которые проходят через обсадную трубу и проникают в формацию.

Существующие головки-детонаторы приводятся в действие от механических, гидравлических или электрических устройств. Некоторые механические головки приводятся в действие падающим или опускаемым с помощью насоса в обсадную трубу грузом (называемым "go devil"). Этот груз проходит по обсадной трубе и ударяет по поршню, перемещая воздействующий на инициирующий заряд ударник. В других механических головках падение груза сопровождается освобождением фиксатора ударника, который под действием давления находящейся в обсадной трубе текучей среды с усилием воздействует на инициирующий заряд. Так, например, в патенте США 4924952 на имя Schneder (1990) предложено устройство для детонации, которое приводится в действие опускаемым в скважину на канате инструментом или грузом, который механически освобождает ударник, воздействующий под действием давления текучей среды на инициирующий заряд.

Гидравлические дифференциальные головки-детонаторы работают от перепада давления между давлением текучей среды в лифтовой трубе и давлением в кольцевой полости, расположенной между этой трубой и обсадной трубой. Когда давление в лифтовой трубе превышает давление в кольцевой полости на заданную величину, ударник срабатывает и детонирует перфораторы. Как правило, в исходном положении ударник фиксируется с помощью замка, исключающего возможность преждевременной детонации перфораторов. Когда давление в трубе становится больше давления в кольцевой полости, замок освобождает ударник, который под действием давления в трубе перемещается и воздействует на детонатор. В патенте США 4836109 на имя Wesson и др. (1989) описано устройство с работающим от перепада давления поршнем, на который со стороны, расположенной ниже пакера, воздействует высокое давление, а со стороны изолированной зоны скважины воздействует низкое давление. В патенте США 4509604 на имя Upchurch (1985) также описано устройство с работающим от перепада давления поршнем, на который со стороны, расположенной ниже пакера, воздействует высокое давление, а со стороны изолированной зоны скважины воздействует низкое давление.

В патенте США 4911251 на имя George и др. (1990) предложена головка-детонатор, приводимая в действие от механического или гидравлического усилия, создаваемого при совместной работе трех поршней. Основной поршень приводится в действие падающим грузом или опускаемым в скважину на канате инструментом. Механическое освобождение основного поршня приводит к освобождению первого выполненного в виде поршня детонатора, который под действием давления находящейся в трубе текучей среды перемещается и воздействует на инициирующий заряд. Альтернативно этому высоким давлением находящейся в трубе текучей среды можно воздействовать на второй ударный поршень, перемещение которого сопровождается перемещением связанного с ним первого ударного поршня и его воздействием на инициирующий заряд. Перепад давлений, под действием которого происходит перемещение второго ударного поршня, создается за счет разницы между давлением в трубе и более низким давлением в уплотненной полости корпуса.

Аналогичный принцип работы от давления текучей среды использован в патенте США 4969525 на имя George и др. (1990), где описан дифференциальный поршень, перемещение которого сопровождается освобождением ударника. Сторона высокого давления поршня сообщается с изолированной зоной скважины, а сторона низкого давления сообщается с герметичной полостью, давление в которой равно атмосферному. Над основной головкой-детонатором расположена резервная механическая или гидравлическая головка-детонатор, которая резервным запальным шнуром соединена с промежуточным детонатором. Если резервная головка работает от гидравлики, то для контроля последовательности срабатывания головок ее рабочее давление должно отличаться от давления, при котором происходит срабатывание основной головки-детонатора.

В патенте США 5050672 на имя Huber и др. (1991) описан перфоратор, который закреплен на лифтовой колонне и опускается в скважину без головки-детонатора. Работающая от перепада давлений головка-детонатор опускается вниз непосредственно к перфоратору и, когда головка не работает, ее можно отдельно от перфоратора извлечь из скважины.

Для детонации перфораторов можно использовать и электрические головки-детонаторы. В патенте США 5115865 на имя Carisella и др. (1992) описаны различные электрические детонаторы и предохранительные устройства, предотвращающие возможность несвоевременной детонации скважинных перфораторов.

В патентах США 5287924 и 5355957 на имя Burleson и др. (1994) описаны первая и вторая гидравлические головки-детонаторы, которые опускаются в нисходящую скважину, при этом текучая среда, под давлением которой происходит срабатывание головок, выборочно не подается во вторую головку до тех пор, пока не сработает первая головка. Такой принцип работы используется при выборочной перфорации различных зон скважины. Текучая среда, под давлением которой происходит срабатывание головок-детонаторов каждого перфоратора, подводится к ним через ствол лифтовой колонны и давление срабатывания каждой головки определяется количеством срезных штифтов, удерживающих поршневой детонатор соответствующей головки в исходном положении.

В патенте США 5366014 на имя George (1994) описана модульная система скважинных перфораторов, в которой предусмотрено размещение, срабатывание и извлечение из скважины большого количества перфорирующих модулей, перемещаемых намотанной в бухту трубой или другими механизмами.

Применение различных типов головок-детонаторов для скважинных перфораторов обычно связано с необходимостью хранения и использования механических и гидравлических головок-детонаторов. Затраты, связанные с возможным выходом из строя головки-детонатора, вызывают необходимость размещения в скважине дополнительных или резервных головок-детонаторов, что, разумеется, приводит к увеличению длины колонны и повышает стоимость эксплуатации скважины. Следовательно, существует необходимость в создании комбинированной головки- детонатора, которая может надежно работать как механическая и как гидравлическая, что автоматически исключает необходимость в резервной головке и обеспечивает возможность осуществления детонации перфораторов с помощью одной и той же головки.

Краткое изложение сущности изобретения.

В настоящем изобретении предлагается универсальная головка-детонатор, предназначенная для взрыва заряда взрывчатого вещества в опущенном в нисходящую скважину перфораторе. Корпус головки имеет окно, через которое во внутреннюю полость корпуса передается давление находящейся в скважине текучей среды. В корпусе расположен воздействующий на заряд взрывчатого вещества ударник, который удерживается в исходном положении освобождающим стержнем, перемещение которого сопровождается срабатыванием ударника. С освобождающим стержнем связан поршень, который перемещается при изменении давления в корпусе и перемещает освобождающий стержень, обеспечивая срабатывание ударника.

В других вариантах выполнения изобретения предусмотрено использование первого фиксатора, который удерживает ударник в исходном положении, и второго фиксатора, с помощью которого освобождающий стержень с возможностью расцепления соединяется с дифференциальным поршнем. Движение дифференциального поршня сопровождается перемещением освобождающего стержня и срабатыванием ударника, при этом согласно другому варианту выполнения при механическом воздействии на освобождающий стержень последний отсоединяется от дифференциального поршня и приводит в действие ударник.

В изобретении предусмотрена возможность приведения в действие ударника и за счет регулирования перепада давлений текучей среды между внутренней полостью корпуса и скважиной, и за счет механического воздействия. Кроме того, в другом варианте изобретения предусмотрена возможность перекрытия окна в корпусе головки, в результате чего срабатывание ударника будет происходить под действием абсолютного давления текучей среды внутри корпуса.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 показан разрез предлагаемой в изобретении универсальной головки-детонатора.

На фиг. 2 показан вариант предлагаемой в изобретении универсальной головки-детонатора после срабатывания освобождающего стержня под действием подвижного груза.

На фиг. 3 показан вариант предлагаемой в изобретении универсальной головки-детонатора с дифференциальным поршнем, который перемещается под действием разницы давлений в корпусе и в скважине.

На фиг. 4 показан вариант предлагаемой в изобретении универсальной головки-детонатора с перекрытыми окнами, в которой срабатывание ударника происходит под действием абсолютного давления в корпусе.

Предпочтительный вариант выполнения изобретения.

В настоящем изобретении предлагается универсальная головка-детонатор, предназначенная для приведения в действие скважинного перфоратора. Показанная на фиг. 1 головка-детонатор 10 обеспечивает воспламенение промежуточного детонатора 12, соединенного с запальным шнуром 14. Как известно, при детонации промежуточного детонатора 12 возникает взрывная волна, при передаче которой по запальному шнуру 14 к кумулятивным зарядам (не показаны) происходит их взрыв.

Основными элементами головки-детонатора 10 являются: корпус 16 с окном 60, через которое в его внутреннюю полость 62 поступает из скважины текучая среда 44 под давлением, ударник 18, воздействующий ударом при своем перемещении на промежуточный детонатор 12, освобождающий стержень 20, и поршень 22, который может перемещаться при изменении давления внутри корпуса 16 - либо под действием разницы давлений между давлением текучей среды 42 внутри корпуса 16 и давлением текучей среды 44 снаружи корпуса 16, либо под действием увеличения заданного давления внутри корпуса 16. В исходном положении ударник 18 фиксируется освобождающим стержнем 20 и срабатывает при перемещении освобождающего стержня 20 внутри корпуса 16. Освобождающий стержень 20 может иметь упругий фиксатор 24, который в исходном положении входит в канавку 26 ударника 18. При движении освобождающего стержня 20 в любом направлении вдоль оси корпуса 16 фиксатор 24 выходит из канавки 26, освобождая ударник 18, который после этого может перемещаться внутри корпуса 16 в направлении промежуточного детонатора 12. Корпус 16 крепится к трубе 36 и к скважинному перфоратору 38. Для герметизации кольцевых стыков между корпусом 16, трубой 36 и перфоратором 38 используются уплотнения 40.

В одном из вариантов изобретения, показанном на фиг. 1, поршень 22 выполнен в виде дифференциального поршня с первым и вторым концами 28 и 30 и промежуточной частью 32. Хотя поршень 22 и изображен на чертеже в виде дифференциального поршня, тем не менее в других вариантах изобретения его концы могут иметь одинаковый размер. Поршень 22 соединен с возможностью расцепления с освобождающим стержнем 20 с помощью фиксатора в виде срезных штифтов 34, при этом освобождающий стержень 20 расположен соосно внутри дифференциального поршня. Внутри корпуса 16 находится текучая среда 42, а снаружи - текучая среда 44. Текучую среду 44 обычно называют "скважинной жидкостью", и она представляет собой любую жидкость или газ, находящийся вне корпуса 16, как более подробно описано ниже. Когда обсадная колонна скважины смонтирована, текучая среда 44 представляет собой жидкость, которой заполнена кольцевая полость между внешней поверхностью корпуса 16 и внутренней поверхностью обсадной колонны. В тех случаях, когда обсадная колонна имеет пакеры, расположенные над головкой-детонатором 10 и под ней, текучая среда 44 может представлять собой газ, в частности атмосферный воздух, образующий отстойник низкого давления. В других вариантах текучую среду 44 можно подводить в зону размещения головки-детонатора из других участков скважины, расположенных выше или ниже пакера, или использовать для подачи текучей среды в эту зону оборудование, расположенное на поверхности скважины, или соединить ее с другими геологическими формациями.

Ударник 18 имеет боек 46, которым он воздействует на промежуточный детонатор. При необходимости внутрь корпуса 16 можно поместить промежуточную втулку 48, которую можно также выполнить заодно с корпусом, и использовать срезной штифт 50, который удерживает ударник 18 в исходном фиксированном положении относительно промежуточного детонатора 12. Ударник 18 имеет торец 52, на который воздействует текучая среда 42, гидростатическое давление которой создает приложенное к торцу 52 усилие.

На фиг. 2 показан вариант предлагаемой в изобретении головки-детонатора, в которой срабатывание ударника 18 осуществляется с помощью подвижного груза 54. В вертикальную скважину груз 54 просто сбрасывается с поверхности земли, а по наклонной или горизонтальной скважине перемещается внутри трубы 36 с помощью насоса. Когда груз 54 доходит до освобождающего стержня 20, он упирается в стержень и создает усилие, под действием которого срезаются срезные штифты 34, а освобождающий стержень 20 перемещается в направлении промежуточного детонатора 12. Перемещение освобождающего стержня 20 сопровождается освобождением расположенного в канавке 26 фиксатора 24, а под действием гидростатического давления текучей среды 42, воздействующего на торец 52 ударника 18, ударник перемещается к промежуточному детонатору 12 и с усилием упирается в него, как показано на фиг. 2.

Перемещение освобождающего стержня 20 можно осуществлять не только с помощью груза 54, но и другими способами механического воздействия на стержень. К таким способам относятся способы, предусматривающие использование вспомогательных проволочных канатов, канатов, предназначенных для зачистки скважин, устройств, используемых при прокладке труб, а также другие известные в данной области технике способы. Предпочтительно использовать для механического отсоединения освобождающего стержня 20 от поршня 22 подвешенный на канате инструмент (не показан).

На фиг. 3 показан другой принцип работы головки-детонатора 10, когда срабатывание ударника 18 осуществляется за счет регулируемой разницы давлений текучих сред 42 и 44. В этом варианте изобретения давление текучей среды 42 действует на поверхности 56 и 58. Разница площадей этих поверхностей, умноженная на давление текучей среды 42, создает результирующую силу, величина которой определяется давлением текучей среды 42. Через окно 60 во внутреннюю полость 62 корпуса 16 поступает из скважины текучая среда 44. Как показано на фиг. 3, скважинная текучая среда 44 воздействует на среднюю часть 32 поршня 22. Текучая среда 44 удерживается в полости 62 уплотнениями 64 и воздействует на поверхности 66 и 68 поршня 22, создавая приложенное к нему результирующее усилие. Если давление текучей среды 44 в полости 62 будет меньше давления текучей среды 42, то под действием приложенного к поршню 22 суммарного усилия поршень переместится из показанного на фиг. 1 исходного положения.

Как показано на фиг. 3, для срабатывания головки-детонатора 10 давление текучей среды 42 должно быть увеличено до такой величины, при которой от разницы давлений текучих сред 42 и 44 возникнет приложенная ко второму торцу 30 поршня 22 результирующая сила, достаточная для среза фиксатора 70, после чего поршень 22 может сместиться в сторону от промежуточного детонатора 12. При движении поршня 22 внутри корпуса 16 в этом направлении за счет наличия срезных штифтов 34, фиксирующих освобождающий стержень 20 относительно поршня 22, освобождающий стержень 20 также переместится в том же направлении. При таком перемещении освобождающего стержня 20 произойдет расцепление находящегося в канавке 26 фиксатора 24 и освобождение ударника 18, при перемещении которого сработает промежуточный детонатор 12.

Для создания достаточной для перемещения поршня 22 разницы между давлениями текучих сред 42 и 44 давление текучей среды 42 можно регулировать с поверхности скважины. Направление движения поршня 22 и освобождающего стержня 20 можно изменить, если предусмотреть иное взаимное расположение деталей и относительное давление текучих сред 42 и 44. Например, давление текучей среды 42 может быть меньше давления текучей среды 44, при этом поршень 22 будет перемещаться в направлении промежуточного детонатора 12. В этом случае срезные штифты 34 будут препятствовать перемещению освобождающего стержня 20 относительно поршня 22, а буртик 72 поршня, упираясь в буртик 74 освобождающего стержня, переместит освобождающий стержень 20 в направлении промежуточного детонатора 12. В результате такого перемещения освободится фиксатор 24, а ударник 18, как описано выше, сможет сместиться и ударить в промежуточный детонатор 12.

На фиг. 4 показан другой вариант работы головки-детонатора 10, когда ее окна 60 заглушены пробками 76. В этом варианте для срабатывания головки-детонатора необходимо увеличить давление текучей среды 42 до величины, достаточной для среза фиксатора 70. В этом варианте изобретения головка-детонатор срабатывает под действием абсолютного давления, под воздействием которого поршень 22 и связанный с ним освобождающий стержень 20 перемещаются в той же последовательности, как и в описанном выше варианте с дифференциальным поршнем. Вместо глухих пробок 76, устанавливаемых в корпус 16 головки-детонатора на поверхности скважины, можно использовать пробки с клапанами, управляемыми дистанционно с поверхности скважины. В этом варианте изобретения головка-детонатор 10 может работать как гидравлическая независимо от колебаний давления текучей среды 44.

В изобретении предлагается универсальная головка-детонатор, которая может одновременно работать и как механическая, и как гидравлическая, срабатывающая как от перепада давлений, так и от абсолютного давления. Такая универсальность позволяет использовать одну и ту же головку-детонатор в различных ситуациях и отказаться от необходимости размещения в скважине многих головок-детонаторов, поскольку предлагаемая головка-детонатор одновременно выполняет функции резервной головки-детонатора и может обеспечить нормальную работу перфоратора в тех случаях, когда по тем или иным причинам ее работа в том или ином режиме становится невозможной. Так, например, при невозможности осуществить работу головки-детонатора в гидравлическом режиме, ее можно привести в действие путем перемещения ударника либо за счет механического воздействия на освобождающий стержень, либо под действием абсолютного давления при перекрытии окон 60.

Хотя в описании изобретения были рассмотрены определенные предпочтительные варианты его выполнения, тем не менее для специалиста в данной области техники очевидны другие конструктивные решения, осуществление которых возможно благодаря внесению в рассмотренные варианты различных изменений и усовершенствований, не нарушая основных принципов изобретения и не выходя за его объем. Рассмотренные варианты лишь иллюстрируют основные отличительные признаки изобретения, и они не ограничивают объем настоящего изобретения.

Реферат

Изобретение относится к скважинным перфораторам, предназначенным для перфорации обсадной трубы в скважине при добыче углеводородов. Обеспечивает повышение надежности детонации перфоратора в скважине. Сущность изобретения: устройство включает корпус с окном для передачи давления текучей среды из скважины во внутреннюю полость корпуса. Имеется заряд взрывчатого вещества и ударник для воздействия ударом на заряд. С ударником связан освобождающий стержень. Перемещение его сопровождается срабатыванием ударника и взрывом заряда. С освобождающим стержнем связан поршень с возможностью расцепления. Поршень имеет возможность перемещения при изменении давления текучей среды внутри корпуса и селективного перемещения воздействующего на ударник освобождающего стержня. Освобождающий стержень имеет возможность механического расцепления с поршнем и при селективном перемещении обеспечивает срабатывание ударника. 3 с. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула