NO164558B - Broennperforeringsanordning. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en brønnperforeringsanordning innrettet for nedsenking i en fluidfylt borebrønn montert ved enden av en rørstreng, og som omfatter et antall aksialt med innbyrdes avstand plasserte høyeksplosive ladninger.

Høyeksplosivinnretninger benyttes for flere formål nede i

en brønmn, for eksempel til å perforere brønnforingsrøret.

Slike innretninger består vanligvis av et antall høyeksplosiv-ladninger som er koplet sammen ved hjelp av en detonerende lunte for aktivering gruppevis. Ofte blir en rekke detonerende lunter strukket ut over hundre meter eller mer for å kunne tenne flere sprengladninger gruppevis og på vidt forskjellige steder. Slike operasjoner er tidkrevende og kostbare å utføre, spesielt når det skal perforeres langs strekninger eller i stor avstand fra hverandre. Det er derfor vesentlig at eksplosiv-innretningene er pålitelige i bruk.

En fordelaktig brønnkompletteringsteknikk benytter perforeringsladninger som senkes ned i brønnen på en streng av produksjonsrør. Når ladningene er plassert ved de soner som skal perforeres, blir en pakning innført for å isolere ringrommet ved de soner som skal kompletteres. Det ønskete trykk opprettes i ringrommet (for eksempel ved undertrykkingsbetingelser), og derpå blir en detoneringsstang sluppet ned gjennom røret fra overflaten, og den støter an mot tennhodet og bevirker at ladningen detonerer via den eller de detonerende lunter.

Betingelsene nede i hullet byr på en rekke kompliserende faktorer som kan være hindrende for en god virkemåte for tenningssystemet. I en avviksbrønn med stort avvik kan for eksempel tenningsstangen bli sittende fast i røret før den støter an mot tennhodet. I meget varme brønner kan også den støtfølsomme tennladning bli påført skade av varmen, slik at selv om stangen støter an mot tennhodet, vil det ikke bli noen tenning. Selv om tennladningen skulle virke riktig, kan det hende at den detonerende lunte ikke detonerer over hele lengden. Dette kan skyldes brekkasje i lunten eller feil ved tenningen fra en lunte til den neste. Når det er nødvendig å senke ned meget store luntelengder, blir det tilsvarende mer sannsynlig at lunten ikke vil detonere over helt lengden, og i dette tilfelle vil det bli nødvendig å trekke opp rørstrengen og forsøke å komplettere de uperforerte soner ved å gjenta hele operasjonen.

Brønnperforeringsanordningen ifølge oppfinnelsen er således av den art som er innrettet for nedsenking i en fluidfylt borebrønn montert ved enden av en rørstreng og som omfatter et antall av aksialt med innbyrdes avstand plasserte høyeksplosive ladninger, et tennhode ved enden av anordningen, hvilket tennhode kan være av støtpåvirkbar eller trykkpåvirkbar type, og en innretning såsom en detonerende lunte eller lignende, som strekker seg fra den øvre til den nedre enden av anordningen for overføring av detonasjonstrykk fra tennhodet til de høyeksplosive laadningene, og oppfinnelsen karakteriseres ved at anordningen omfatter et ytterligere tennhode av fluid-trykkpåvirkbar type som er tilknyttet den detonasjonsoverførende innretningen ved den nedre enden av anordningen.

Foreliggende oppfinnelse, samt videre formål og trekk ved denne, vil bli fullt ut og klart beskrevet i den følgende beskrivelse av visse foretrukne utførelsesformer der det vises til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 er et delsnitt av en brønnboring forsynt med foringsrør hvori en rørstreng er senket ned for å posisjonere perforeringsladninger imot en del av foringsrøret som skal perforeres. Fig. 2 er et delsnitt av en brønnboring, slik som den på fig. 1 viste, der en modifikasjon av anordningen ifølge fig. 1 er posisjonert for å perforere brønnforingsrøret på et ønsket sted. Fig. 3 er et delsnitt av en trykkpåvirket tennmekanisme som inngår i utførelsene ifølge fig. 1 og 2. Fig. 4 er et snitt lagt langs linjen 4-4 på fig. 3 av en tennmekanisme som benyttes i denne innretning. Fig. 5 er et snitt langs linjen 5-5 på fig. 4, og fig. 6 er et delsnitt lagt langs linjen 6-6 på fig. 3.

Det skal først vises til fig. 1, der en brønnboring er vist i jordskorpen medi et foringsrør 190 sementert på plass.

En rørstreng 192 er blitt senket ned i brønnboringen og bærer en innretning som omfatter en perforert nippel 194 ved den nedre enden. Den nedre enden på nippelen 194 er koplet til et standard stangpåvirkbart tennhode 196. En rørstreng med perforeringsladninger 198 er opphengt ved den nedre enden av tennhodet 196, og et trykkpåvirkbart tennhode 10 er koplet til den nedre enden av perforeringsladningsrøret og utgjør et reserve tennorgan for perforeringsladningene. En detonerende lunte 200 (vist med prikkete linjer) forløper langs hele lengden av røret 198, og er ved den øvre enden koplet til standardtennhodet 196 og ved den nedre enden til det trykkpå-virkbare tennhodet 10.

På rørstrengen 192 er det montert en gjenopptrekkbar pakning 202 ovenfor den perforerte nippel 194. På fig. 1 er pakningen innstilt for å isolere et nedre ringrom, der perfo-reringsladningen er plassert for å perforere foringsrøret 190, fra et øvre foringsrørringrom. Det kan således oppnås ønskete trykkbetingelser i det nedre foringsrørringrom, for eksempel undertrykkbetingelser som oppnås ved å suge brønnfluider fra røret 192 til en ønsket dybde for å regulere det hydrostatiske trykket i det nedre foringsrørringrommet. For å perforere foringsrøret kan trykket i rørstrengen 192 heves for å øke trykket i det nedre foringsrørromet. En perforert plugg 204 er koplet til tennhodet 10 ved dets nedre ende 12 for å sette tennhodet 10 under trykk. Når det tilføres trykk til tennhodet og dette økes over et forutbestemt nivå, igangsettes det en forbrenningsreaksjon i tennhodet 10. Atskillige minutter etter at denne reaksjon er begynt, vil tennhodet 10 antenne den detonerende lunten 200 ved dens nedre ende. Hvis lunten 200 detonerer langs hele lengden, er det mest sannsynlig at alle perforeringsladningene som er koplet til lunten 200 vil bli tent for å frembringe alle de ønskete perforeringer.

Hvis imidlertid tennhodet 10 ikke skulle gi en riktig tenning eller hvis den detonerende lunte ikke skulle detonere fullstendig, vil tennhodet 196 utgjøre et annet middel for å starte antenningen av den detonerende lunte 200 ved den andre enden. I dette tilfellet slippes en detoneringsstang ned gjennom røret 192 og støter an mot tennhodet 196 som er istand til å tenne den øvre enden av lunten 200. Det er derfor lett å se at ved å benytte to uavhengige påvirkbare tenninnretninger vil sannsynligheten for at den detonerende lunten skal detonere over hele lengden bli øket.

Det skal nå vises til fig. 2 der det på fig. 1 viste borehull er forsynt med en modifisert versjon av rørstrengen for derved å perforere foringsrøret på det ønskete sted. I stedet for tennhodet 196 er det anordnet et annet trykkpåvirkbart tennhode 10', og dette utgjør et middel til å antenne den øvre enden av lunten 200. Under bruk blir trykket i røret 192 øket inntil den forutbestemte verdi overskrides, slik at begge tennhoder 10 og 10' starter forbrenningsreaksjoner hovedsakelig samtidig. Når disse reaksjoner er fullført etter en tid som dreier seg om minutter (for å muliggjøre en trykksenking i rørstrengen 192) , vil tennhodet 10 sette igang en detonering av den detonerende lunten 200 ved den nedre enden, og hovedsakelig samtidig med dette vil tennhodet 10' ved den øver enden starte en detonasjon av den detonerende lunten 2 00. Det er lett å se at arrangementet ifølge fig. 2 er relativt mindre tidkrevende å sette igang enn utførelsen ifølge fig. 1, samtidig som det er tilveiebrakt en mer pålitelig teknikk enn de tidligere kjente som bare benyttet et enkelt middel for tenning av et høyeksplo-siv i en brønnboring.

Figurene 3-6 viser mer detaljert tennhoder 10 og 10'. Av bekvemmelighetshensyn skal tennhodene 10 og 10' sammen betegnes som tennhodet 10. Det skal nå vises til fig. 3, der tennhodet 10 omfatter et øvre koplingsstykke 12 med et øvre sett gjenger

14 for å kunne kople tennhodet 10 til en rørstreng før denne senkes ned i en brønn. Det øvre koplingsstykket 12 har en nedre del 16 med redusert diameter som danner en gjenget tapp koplet til et hus 18 og er avtettet mot dette ved hjelp av et par O-ringer 17. Huset 18 har en nedre gjenget del 20 for tilkopling av tennhodet 10 til en perforeringskanon eller annen eksplosivinnretning nede i brønnen. Selv om koplingsstykket 12 vanligvis er et øvre koplingsstykke, er det lett å se at tennhodet 10 kan fungere med et koplingsstykke som er anordnet under huset 18, slik som på fig. 1.

Umiddelbart under den gjengete delen 14 har det øvre koplingsstykket 12 en første boring 22 med relativt stor diameter, som ved den nedre enden danner en ringformet skulder 24. Ved den indre kant av skulderen 24 begynner det en nedad-ragende boring 26 med relativt mindre diameter som strekker seg gjennom den nederste delen av koplingsstykket 12. En stempel-plugg 30 har et øvre stempel 32 som passer nøyaktig i boringen 26 i det øvre koplingsstykket 12 og har to O-ringpakninger som danner en fluidtett pakning mellom stemplet 32 og boringen 26. Stemplet 32 strekker seg oppad fra boringen 26 i en konsentrisk avstand fra boringen 22. En ringformet stempelfastholder 35 er innpasset i og inngjenget i boringen 22 og hindres i å beveges nedad inne i koplingsstykket 12 av skulderen 24. Fastholderen 35 har en indre flate dimensjonert for å ligge nøyaktig an mot den ytre flate på stemplet 32. I den på fig. 3 til 6 viste utførelse er stempelpluggene 30 koplet til stempelfastholderen 35 ved hjelp av seks bruddstifter 36 for å fastholde stempelpluggen 30 mot bevegelse nedad i forhold til det øvre koplingsstykket 12 inntil det tidspunkt at det påføres et så stort trykkfall over stemplet på stempelpluggen 30 at bruddstiftene 36 skjæres av. Stempelpluggen 30 omfatter også et nedadstik-kende fremspring 40 med redusert diameter som har en rekke radialt forløpende finner 42 som til dels tjener til å sentrere fremspringet 40 i boringen 26. Finnene 42 vil også begrense nedadbevegelsen av pluggen 30, slik det skal beskrives klart i det følgende.

Umiddelbart under det øvre koplingsstykket 12 og stempelpluggen 30 er en hovedsakelig sylindrisk plugg 44 gjenget inn i en boring 46 i huset 18. Denne øvre plugg 44 har et par 0-ringpakninger 48 som danner en fluidtett pakning mot boringen 46 i huset 18. Den øvre plugg har en første konsentrisk boring

50 med relativt stor diameter som forløper fra en åpning i en øvre flate på pluggen 44 og ned til en innad stikkende skulder 52. Nedad fra den innerste del av skulderen 52 strekker det seg en annen konsentrisk boring 54 med relastivt mindre diameter som ender ved en skulder 56. Nedad fra den innerste del av skulderen 56 strékker det seg en tredje boring 58 som har enda mindre diameter. Fra boringen 58 og gjennom den nederste del av den øvre plugg 44 strekker det seg en relativt liten konsentrisk sylindrisk åpning 60. Den nederste del av åpningen 60 er hermetisk avstengt ved hjelp av en lukkeskive 62 som er sirkulær og av rustfritt stål, og som er sveiset til den øvre plugg 44.

Et tennstempel 66 holdes inne i boringen 50 og over boringen 54 ved hjelp av en bruddstift 68. Den øvre flaten 70 på tennstemplet 66 er plassert for å oppta støt fra fremspringet 40 på stempelpluggen 30, for derved å støte tennstemplet 66 ned inne i boringen 50 i den øvre pluggen 44. Den nedre delen på tennstemplet 66 er formet som et relativt tynt fremspring 72

som støter mot en slagtennerinnretning 100 når tennstemplet støtes nedad fra boringen 50. Innretningen 100 holdes på plass i boringen 58 ved hjelp av en tennerholder 102 som er gjenget inn i boringen 54. Holderen 102 har en gjennomgående konsentrisk åpning som er formet for å oppta den nedre del av tennstemplet 66 og leder fremspringet 72 til kontakt med tennerinnretningen 100. Slagstemplet 66 er utformet med en rekke inntrykninger 104 i den ytre flate på dets øvre del med relativt stor diameter, for derved å tillate luft under tennstemplet 66 å strømme oppad forbi tennstemplet 66 når det støtes nedad.

Det skal nå vises til fig. 4 og 5 der slagtennerinnretningen 100 omfatter en stort sett sylindrisk tennerkopp 102 med en øvre plan overflate 104 og en nedre plan flate 106. Flaten 106 er utformet med en boring 108 som er boret mot flaten 104. En konsentrisk sylinderboring 110 er også boret i koppen 102 fra den øvre avgrensing av boringen 108 og ender et kort stykke fra flaten 104, slik at det dannes en tynn vegg eller steg 112.

Den forsenkete boring 110" danner ved den øvre enden av boringen 108 en skulder 114. Tennerkoppen 102 kan for eksempel være fremstilt av rustfritt stål.

Den forsenkete boring 110 er fylt med en tennblanding 116 som skal beskrives mer detaljert senere. En lukkeskive 118 av rustfritt stål er plassert mot skulderen 114 for å holde tennblandingen 116 i den forsenkete boring 110. Skiven 118 presses oppad mot skulderen 114 ved hjelp av en ambolt 120 av rustfritt stål som er plassert i boringen 108. En nedre flate 122 på ambolten 120 ligger i flukt med flaten 106. En annen skive 124 av rustfritt stål er punktsveiset til flaten 106 for på holde ambolten inne i koppen 102 og for å danne en hermetisk avtetning og beskytte tennblandingen 116 både mot fuktighet og gasser som frembringes av annet pyroteknisk materiale i innretningen 10.

Tennblandingen 116 er en pyroteknisk blanding av titan og kaliumperklorat blandet i et vektforhold 41% titan til 59% kaliumperklorat. Titanet foreligger i pulverform med partik-kelstørrelser fra 1 til 3 mikron i diameter. Etter at pulverne er grundig blandet, blir de presset sammen i den forsenkete boring 110, fortrinnsvis med et trykk på omtrent 2800 kg/m2. Deretter blir skiven 118, ambolten 120 og lukkeskiven 122 etter tur sammenstilt i koppen 102 med tennblandingen 116.

Tykkelsen på steget 112 og dybden av den forsenkete boring 110 vil sammen med sammenpressingen av tennblandingen 116 bli valgt for å oppnå den ønskete støtfølsomhet. Det vil si at når tykkelsen på steget 112 økes, vil støtfølsomheten for tennblandingen 116 i innretningen 110 avta, og hvis dybden i den forsenkete boring 110 økes, vil på lignende måte støtfølsom-heten avta. Hvis dessuten tettheten i tennblandingen økes (ved å øke sammenpressingstrykket), vil også støtfølsomheten senkes.

I den angitte utførelsen er tykkelsen på steget 112 nominelt 0,28 mm og dybden av den forsenkete boring 110 er 0,89 mm. Når tennblandingen sammenpresses fra 68% til 81% av krystalltettheten i dette rom kan det oppnås, og oppnås ofte en støtfølsomhet på

i overkant av 0,552 kpm.

Under bruk vil fremspringet 72 på tennstemplet 66 støte an mot steget 112 og deformere det innad, og derved presses tennblandingen 116 mot ambolten 120 og antennes. Steget 112 er fremstilt så tynt at det vil bli nok deformert av støtet fra frmmspringet 72 til at tenningen sikres. Ved antennelsen vil de varme gasser som derved dannes, slynge ut den tynne lukkeskiven 118. Ambolten 120 er utformet med fire langsgående og gjennomgående åpninger 128 som derved danner fire stråler med varm tenningsgass og stålpartikler fra skiven 118. Disse gass-stråler vil derpå bryte gjennom skiven 124 og utgjøre et middel til tenning av en varmefølsom første avfyringsblanding, slik som A1A.

Det skal på nytt vises til fig. 3, der en nedre plugg 130 har en sentral, gjennomgående boring 134 med en gjenget nedre del. Et langstrakt, stort sett sylindrisk forsinkelseselement 136 er ved en nedre del 138 med redusert diameter forsynt med gjenger. Delen 138 på elementet 136 er gjenget inn i boringen 123, slik at den nedre flate på delen 138 ligger i flukt med flaten 140 på pluggen 130. En øvre flate 144 på delen 142

er anordnet henimot åpningen 60 i den øvre plugg 44. Huset 18 har en ytterligere boring 146 i en liten avstand fra den øvre del 142 på elementet 136, og der dannes et samlekammer mellom huset 18 og elementet 136.

Under bruk vil gass-stråler og varme partikler sendes ut gjennom åpningen 60 av tenninnretningen 100 som følge av støtet fra fremspringet 72 på tennstemplet 66 og virke som et signal til å starte en forbrenningsreaksjon inne i elementet 136. Denne forbrenningsreaksjon skrider frem i en så lang tids-periode at en operatør ved brønnhodet, hvis ønsket, vil kunne redusere trykket i brønnen til en lavere verdi ved det tidspunkt det ønskes at perforeringsladningene skal detoneres av tennhodet 10. Ved slutten av denne tidsforsinkelse vil en tenninnretning ved den nedre enden på delen 138 antenne en detonerende lunte (ikke vist) som er koplet til den nedre enden 138 for derved å detonere ladningene. Etterhvert som forbrennihgsreaksjonen skrider frem inne i elementet 126, vil forbrenningsgasser strømme ut fra elementet 136 og fylle samlekammeret.

Den nedre plugg 13 0 er utstyrt med en rekke gjennomgående ventileringsåpninger 150 som ved øvre ender er avtettet ved hjelp av lukkeskiver 152. Når forbrenningsgassene samles opp i sasmlekammeret, vil de bygge opp et lite trykkfall over lukkeskivene 152 slik at de brytes, og gassene kan da passere ned gjennom åpningene 150, slik at gassene ventileres inn i ladningsbærerne som er koplet til den nedre del 20 på huset 18. Da det indre av tennhodet 10 under stemplet 32 på stempelpluggen 3 0 er avtettet mot fluidtrykk, vil trykket inne i samlekammeret forbli stort sett en atmosfære. Ventileringen av forbrenningsgasser vil i tillegg føre til en varmespredning fra elementet 136. Hovedfaktoren som bestemmer lengden av forsinkelsen som tilveiebringes av forsinkelseselementet 136 er følgelig omgivelsestemperaturen nede i brønnen.

Det skal nå vises til fig. 6 der forsinkelseselementet 136 omfatter et stort sett sylindrisk hus 160 med en sentral sylindrisk boring 162. En sylindrisk pellet 164 av en første AlA-tennblanding ligger i flukt med flaten 144 på elementet 136 og stikker nedad et kort stykke fra denne flate. Boringen 162 er ved flaten 144 lukket av en lukkeskive 166 ved hjelp av et høytemperatur adhesiv. Ved tenning av tenninnretningen 100 vil stråler av varme gasser og partikler strømme gjennom åpningen 60 og bryte gjennom lukkeskiven 166, samt tenne AlA-pelleten 164.

En rekke skiver 168 av wolfram-forsinkelsesforbindelser er plassert inne i boringen 162 og strekker seg fra pelleten 164

og ned til et punkt inne i boringen 162 omtrenmt halvveis ned i boringens 162 nedre del 138. I en utførelsesform ble det benyttet 55 Wolfram-forbindelsesskiver, og hver skive besto av 500 milligram av forbindelsene som var sammenpresset ved et trykk på omtrent 2100 kg/cm<2> og dannet en søyle med en høyde på omtrent 25 cm.

Umiddelbart under den nederste wolframskiven 168 i boringen 162 ble det plassert en annen pellet 170 av A1A. Umiddelbart under pelleten 170 er det plassert en pellet 172 av en tennladning av titan/kaliumperklorat. Umiddelbart under pelleten 172 er det anordnet en detonator forsterkerladning 174 av blyazid (RD-1333), og en nedre høyeksplosiv utgangsladning 176 som enten kan være PYX eller HNS-II. Boringen 162 er ved den nedre enden lukket av en lukkeskive 178 som er punktsveiset til huset 160. Når det siste wolfram-forsinkelseselementet er gjennom-brent, vil det antenne AlA-ladningen 170 som derpå tenner ladningen 172 som frembringer en hurtigbrennende utgang mot forsterkerladningen 174, som derpå detonerer den høyeksplosive utgangsladning 176. Denne detonasjon overføres til den detonerende lunte til perforeringsladningene, slik at disse avfyres, og kan derfor betraktes som et signal for igangsetting av en eksplosjon.

Tennhodet 196 omfatter fortrinnsvis en tenner av støt-tennertypen med en tennblanding 116 av den foran beskrevne type. Ved støt detonerer tenneren og tenner et sekundært høyeksplosiv, slik som PYX eller HNS-II, idet utgangen fra det sekundære eksplosiv vil starte detoneringen av den detonerende lunte ved den respektive ende ved å detonere en passende forsterkertenner der. Tennhodet 196 omfatter også fortrinnsvis et ringrom som strekker seg rundt tennstemplet og nedad fra dette, slik at partikler og rester som utskiller seg fra brønnfluidene kan samles i ringrommet under tennstemplet uten å hindre operasjon av dette.

Når for eksempel en rekke detonerende lunter skal tennes etter hverandre for å avfyre flere perforeringsladninger, benyttes det vanligvis forsterkertennere for å overføre detoneringen fra en lunte til den neste. Det benyttes fortrinnsvis ikkeretningsstyrende forsterkertennere med et enkelt sekundært høyeksplosiv som virker både som mottaker og avgiver. '••Høyeksplosivet plasseres i en kopp av edelt metall, rustfritt stål eller aluminium, og kan være PYX som er sammenpresset til en tetthet på 1,455 g/cm<3> i en slik kopp. En åpen ende på koppen krympes over enden på en detonerende lunte.

Det skal påpekes at det kan benyttes atskillige forskjellige kombinasjoner av detonasjonstennere ifølge foreliggende oppfinnelse. I stedet for stangpåvirkete eller trykkpåvirkete tennere kan det benyttes elektrisk påvirkete tennere, enten den ene eller begge tennerne.

Claims (1)

1. Brønnperforeringsanordning innrettet for nedsenking i en fluidfylt borebrønn montert ved enden av en rørstreng (192) og som omfatter et antall av aksialt med innbyrdes avstand plasserte høyeksplosive ladninger (198) , et tennhode (196) ved den øvre ende av anordningen, hvilket tennhode kan være av støtpåvirkbar eller trykkpåvirkbar type, og en innretning (200), såsom en detonerende lunte (200) eller lignende, som strekker seg fra den øvre til den nedre ende (12) av anordningen for overføring av detonasjonstrykk fra tennhodet til de høyeksplosive ladningene, karakterisert ved at anordningen omfatter et ytterligere tennhode (10) av fluidtrykk-påvirkbar type som er tilknyttet den detonasjonsoverførende innretningen (200) ved den nedre enden av anordningen.