NO311852B1 - Perforeringsanordning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en perforeringsanordning for å generere flere materialgjennomtrengende stråler, såsom i brønnhull.

Foringsrør blir typisk installert i brønnhull som bores i geologiske formasjoner under overflaten. Foringsrøret for slike brønner forhindrer ukontrollert migrering av fluider fra områder under overflaten mellom ulike brønnsoner, og tilveiebringer et føringsrør for installering av produksjons-rør i brønnen. Brønnens foringsrør forenkler også drift og installasjon av produksjonsverktøy og apparater i brønnen.

For å produsere hydrokarbonfluider fra en geologisk formasjon under jordoverflaten, blir brønnforingen perforert ved hjelp av høyhastighetsstråler med partikler fra formede ladninger i perforeringskanoner. Et avfyringshode i en perforeringskanon aktiveres for å detonere et eksplosivt materiale og å tenne en hjelpeladning som er forbundet med en lunte eller detoneringstråd. Detoneringstråden overfører en deto-neringsbølge til hver av de formede ladninger. Overgangslad-ninger inne i hver formet ladning aktiviserer det eksplosive materialet slik at en foring i den formede ladning kollapser og denne formede ladning befinner seg i et dertil innrettet hulrom. Foringen som kollapser genererer en partikkelstråle med høy hastighet og innrettet for å gjennomtrenge brønnfår-ingen og de tilstøtende geologiske formasjoner. Slike stråler perforerer brønnforingen og etablerer dermed en strømningsvei for fluider som forekommer i reservoaret fra de geologiske formasjoner under overflaten til innsiden av foringsrøret i brønnen. I en brønn som har flere produksjonssoner, vil pakninger kunne isolere utvalgte soner av brønnens forings-rør, mens produksjonsrør transporterer reservoarfluider fra hver sone opp mot brønnens overflate.

I visse hydrokarbonproduserende soner er det ønskelig med flere perforeringer av foringsrør. For å fremskaffe flere slike perforeringer blir formede ladninger installert ved omkretsen av huset til en perforerende kanon. De individuelle formede ladninger blir mekanisk posisjonert i spiraler og ved andre geometriske mønstre inne i den perforerende kanon. Geometrien til disse formede ladninger og orienteringen av disse skaper "dødsoner" mellom tilstøtende formede ladninger, noe som begrenser perforeringstettheten til ladningene og reduserer kanonens evne til å perforere.

Systemer av perforerende kanoner benytter på typisk måte individuelle formede ladninger som festes til en ladnings-bærer. Denne prosessen fører til mye arbeid og gir ikke på enkel måte en høy konsentrasjon av formede ladninger i et system med en perforerende kanon. For å redusere kostnadene forbundet med de formede ladninger og disse kanoner, blir noen ganger bære-elementer benyttet for å forbinde formede ladninger i et perforeringssystem. Slike bære-elementer eller strimler vil imidlertid ofte fragmenteres eller oppdeles under detonering og skape uønskede mengder av vrakmateriale inne i borehullet.

Tidligere kjente perforeringskanoner er kostbare og begrenser antall formede ladninger som kan posisjoneres innenfor et valgt brønnhullsegment. Det er derfor et sterkt behov for et bedret system for perforerende kanoner hvorved produksjonskostnadene reduseres og hvorved man muliggjør en høy tetthet i skuddmønsteret.

I US 4.974.515 beskrives det et stridshode som omfatter en veggkonstruksjon, ladningsdeksel, en eksplosiv ladning og en detonator. Det er anordnet huller gjennom veggkonstruksjonen for innsats av ladningsdekslene. Et eksplosiv er anordnet på det indre partiet av stridshodet, rett bak hvert ladningsdeksel. Etter detonasjon av eksplosivet, skytes ladningsdekselet ut fra veggkonstruksjonen. Følgelig omfatter den ytre overflaten av stridshodet med andre ord to separate og distinkte komponenter, nemlig ladningsdekslene og veggkonstruksjonen .

Foreliggende oppfinnelse angår en perforeringsanordning for å generere flere materialgjennomtrengende stråler. Nye og særegne trekk ved oppfinnelsen er nærmere angitt i patent-kravene, og særlig i de selvstendige krav 1, 9 og 16.

For å gi en klarere forståelse av oppfinnelsen vises til beskrivelsen av utførelseseksempler gitt nedenfor, samt til de ledsagende figurer, hvor: Fig. 1 viser et tverrsnitt gjennom en utførelse av foreliggende oppfinnelse, fig. 2 viser et tverrsnitt av oppfinnelsen ifølge fig. 1, men her etter at detonatoren har aktivert de eksplosive ladninger,

fig. 3 viser en alternativ utførelse av oppfinnelsen,

fig. 4 viser en plan base som omfatter flere formede ladninger,

fig. 5 viser en plan base formet til en annen geometrisk

form, her for innføring i et sylindrisk hus, og fig. 6 viser en foring med et annet materiale i fordypningene til de formede ladninger.

Foreliggende oppfinnelse angår et unikt perforeringssystem. Oppfinnelsen er særlig nyttig når det gjelder å generere et skuddmønster med høy tetthet for perforering av en brønn. Oppfinnelsen er anvendbar i brønner som produserer hydrokarboner, men er like nyttig i andre anvendelser hvor det er behov for flere formede ladninger.

Fig. 1 viser et tverrsnitt av en utførelse av foreliggende oppfinnelse. Basen 10 er vist som et hovedsakelig plant legeme med flere åpninger 12. Slik det er benyttet i beskrivelsen, anvendes "flere" om tre eller flere slike elementer. "Åpning" defineres som et hull eller en utsparing i basen 10. Som vist i fig. 1 har basen 10 to parallelle overflater angitt som den indre overflate 14 og den ytre overflate 16. I en utførelse av oppfinnelsen kan den ytre overflate 16 av basen 10 være praktisk talt plan, og den indre overflate 14 av basen 10 kan ha en form som ikke er plan, f .eks konveks, konkav eller korrugert form. Basen 10 kan omfatte et hvilket som helst materiale slik som et metall, keramikk, plast, eller andre organiske eller inorganiske materialer med de egnede fysiske egenskaper. Utvalget av materialet til basen 10 vil avhenge av de ønskede produksjonsmetoder som er beskrevet mer grundig nedenfor.

Eksplosive ladninger 18 er plassert nær den indre overflate 14. De eksplosive ladninger 18 er utformet av et RDX-materiale eller andre høyeksplosive materialer som vanligvis benyttes ved produksjon av formede eksplosive ladninger. Ved en utførelse av oppfinnelsen er holderen 2 0 plassert inntil den indre overflate 14 og opptar den eksplosive ladning 18 i dens ønskede posisjon i forhold til den indre overflate 14. Holderen 2 0 kan omfatte et hvilket som helst materiale som har tilstrekkelig styrke til å oppta den eksplosive ladning 18, og blir fortrinnsvis forbundet med den indre overflate 14 ved hjelp av liming, lodding eller ved hjelp av andre kjente prosesser. Selv om den eksplosive ladning 18 kan være anbrakt nær inntil den indre overflate 14, kan hver av de eksplosive ladninger 18 være anbrakt nær inntil tilsvarende åpninger 12 ved en foretrukken utførelse av oppfinnelsen. Ved bruk av flere eksplosive ladninger 18 kan flere holdere 20 benyttes og være innrettet til å oppta hver av de eksplosive ladninger 18.

Foringen 22, som kan være metallisk eller ikke-metallisk, ligger nær den ytre overflate 16 og er forsynt med foringsfordypninger 24 definert som diskrete, plane segmenter av foringen 22. Som vist i fig. 1 strekker forings-fordypningene seg inn i åpningene 12 og former innpressede foringsoverflater 28. Hvert hulrom 26 er åpent i en retning som tilsvarer den ytre overflate 16, mens hver fremskjøvet foringsoverflate 28 strekker seg ut fra den indre overflate 14. Ved en foretrukken utførelse av foreliggende oppfinnelse er hulrommet 26 symmetrisk tildannet omkring en akse som forløper normalt på den ytre overflate 16. Hulrommet 26 kan være formet som en kjegle, en paraboloide eller ha en annen form kjent innenfor dette fagområdet. Den innpressede foringsoverflate 28 danner kontakt med den eksplosive ladning 18 og kan være formet med en spiss 3 0 eller kan være avkortet eller stump.

Kombinasjonen av den eksplosive ladning 18 og hver fordypning 24 tildanner formede ladninger 32 innrettet for å generere materialgjennomtrengende stråler. Detonatoren 34 omfatter en detonerende lunte eller et tennmateriale som er plassert nær den eksplosive ladning 18 i den hensikt å akti-visere den eksplosive ladning 18. Aktivisering av detonatoren 34 initierer den eksplosive ladning 18 til å danne en detona-sjonsbølge som kontakter spissen 3 0 og bringer foringsfordypningen 24 til å kollapse eller bryte sammen omkring hulrommet 26. Idet foringsfordypningen 24 kollapser, vil en perforerende stråle av materiale med høy hastighet (ikke vist på figuren) genereres i en retning praktisk talt parallelt med symmetriaksen gjennom hulrommet 26. Den perforerende stråle - gjennomhuller brønnforingen eller den geologiske formasjon som vist i fig. 2.

Selv om én eneste eksplosiv ladning 18 kan initiere sjokkbølger i flere foringsfordypninger 24, benytter en foretrukken utførelse av oppfinnelsen én separat eksplosiv ladning 18 nær inntil hver fremskjøvet foringsoverflate 2 8 som vist i fig. 3. Denne utførelsen konsentrerer kraften fra den eksplosive ladning 18 på effektiv måte, og reduserer fragmenteringen av basen 10. Følgelig vil mengden av ikke-konsolidert vrakmateriale som må fjernes fra brønnen etter detoneringen, bli redusert. Skum 35 kan være anbrakt mellom flere eksplosive ladninger 18 for å redusere vekselvirkningen mellom ladningene.

Fig. 3 viser en annen utførelse av oppfinnelsen og her omfatter foringen 36 foringsfordypninger 3 8 med hulrom 40 og innpressede foringsoverflater 42, mens detonatoren 34 er forbundet med de eksplosive ladninger 18 som beskrevet ovenfor. Ved denne utførelse av oppfinnelsen vil foringen 3 6 utgjøre den kombinerte funksjon av basen 10 og foringen 22 slik denne er beskrevet ved utførelsen av oppfinnelsen illustrert i fig. 1. Foringsfordypningene, som kan være tildannet av et annet materiale enn materialet for de ikke-innpressede deler av foringen 36, samarbeider med de eksplosive ladningene 18 slik at det dannes formede ladninger 44. Den ikke-innpressede del av foringen 36 utgjør en integrert base eller hus som bærer de formede ladninger 44. Denne utførelsen av oppfinnelsen forenkler produksjonen fordi de innpressede foringsoverflater 42 ikke nødvendigvis må ligge på linje med åpningene 12 i basen 10, slik som dette er vist i fig. 1. Dessuten vil bruken av foringen 36 eliminere innbyrdes innrettings- og feste-prosedyrer mellom basen 10 og foringen 22, noe som er nødvendig i utførelsen vist i fig. 1.

Fig. 4 viser et hovedsakelig flatt foringsmateriale 36 med flere foringsinnpresninger 38. Foringsmaterialet 3 6 kan stanses, valses eller formes på annen måte slik at innpres-ningene 38 dannes, og én eksplosiv ladning eller flere ladninger 18 kan posisjoneres inntil de innpressede overflater av foringen 42. Fremstillingen av enheten blir forenklet ved at man i utgangspunktet kombinerer foring 36 og de eksplosive ladninger 18 i en plan utførelse.

Etter at den plane kombinasjonen av foringsmaterialet 36 og eksplosive ladninger 18 er tildannet, kan foringsmaterialet 36 bli merket langs furene 46 slik at det dannes rene avbrudd i overflaten til foringen 36. Deretter kan foringen 36 bli valset, foldet, festet eller på annen måte formet for å danne en ønsket geometrisk ytre form for innføring i et brønnhull eller et annet målområde. Den endelige geometriske form for den formede ladning 36 kan være plan, oval, sfærisk, halvkuleformet, sylindrisk eller den kan oppnå en hvilken som helst annen form. Én eneste foring 36 kan formes til den ønskede geometriske form, eller flere foringsseksjoner kan sammenkobles eller forbindes for å danne den ønskede geometriske form.

Fig. 5 viser en geometrisk form hvorved foringen 3 6 er gitt en hovedsakelig sylindrisk form som er egnet for inn-føring i en brønn. Ved denne utførelsen kan detonatoren 34 omfatte et plant utgangsark som rulles til en sylinder for å kontakte det eksplosive materiale 18. Dette utgangsarket kan være tildannet omkring kjernematerialet 47 for å gi stivhet til utgangsarket. Huset 48 kan opprinnelig inneholde foringen 3 6 for å hindre at fluid trenger inn deri før de formede ladninger 44 blir detonert. Dessuten kan huset 48 være konstruert slik at det fanger opp vrakmateriale som genereres under detoneringen av de eksplosive ladninger 18 og kan trekkes manuelt ut av brønnen ved hjelp av en kabel eller en lignende anordning.

Da hulrommene i de formede ladninger 44 fortrinnsvis er orientert langs en akse som står normalt på den ytre overflate til foringen 36, vil den geometriske form på foringen 3 6 bestemme orienteringen for de perforerende stråler som genereres av de formede ladninger 44. Dersom det er ønskelig, slik som ved perforeringsarbeider hvor perforeringene skal skje ved den laveste siden, kan alle de formede ladninger 44 være orientert i én bestemt retning. Alternativt, og for å oppnå en maksimal gjennomtrengningstetthet av de perforerende stråler innenfor én spesiell brønnsone, kan flere formede ladninger 44 være orientert i flere forskjellige retninger.

Fig. 6 viser en alternativ utførelse av oppfinnelsen hvori foringsoverflaten 50 er festet til fordypninger 52 som står i kontakt med de eksplosive ladninger 18. Detonatoren 34 antenner de eksplosive ladninger 18 og fordypningene 52 kollapser omkring sine respektive hulrom hvorved det dannes materialgjennomtrengende stråler. Ved denne utførelse av oppfinnelsen kan foringsoverflaten 50 være konstruert slik at den motstår fragmentering, mens fordypningene 52 kan være utformet av et materiale som er valgt for én spesiell anvend-else. Fordypningene 52 kan være presspasset til eller på annen måte være festet til foringsoverflaten 50 slik at det dannes en kombinert anordning, og denne kombinasjonen kan formes til en ønsket geometrisk form som tidligere forklart.

Foreliggende oppfinnelse frembringer et unikt perforer-ingsapparat som på en betydelig måte reduserer produksjonskostnadene. Oppfinnelsen tillater en unik høy eller maksimal skuddtetthet over ytterflatearealet til en perforeringskanon, og er særlig godt egnet for perforering av brønner slik som brønner som produserer hydrokarboner. Oppfinnelsen oppviser stor fleksibilitet når det gjelder orienteringen av de ønskede skuddmønstre og når det gjelder å skape en maksimal skuddtetthet i nettopp den ønskede retning. Størrelsen og orienteringen av de formede ladninger kan lett bestemmes ved å modifisere fordypningene i foringsmaterialet og ved å modifisere størrelsen og formen på de eksplosive ladninger 18.

Claims (20)

1. Perforeringsanordning innrettet for generering av flere materialgjennomtrengende stråler, karakterisert ved at den omfatter: en foring (36,50) med flere fordypninger (38,52) som hver avgrenser et hulrom (4 0) som åpner ut mot en første overflate (16) av foringen (36,50) og som hvert avgrenser en fremskjøvet foringsoverf late (42) som strekker seg fra en motstående rettet andre overflate (14) av foringen, en eksplosiv ladning (18) plassert nært inntil hver av de fremstikkende foringsoverflater (42) på den andre overflate (14) av foringen, idet den eksplosive ladning (18) og hver fordypning (38,52) i foringen (36,50) sammen utgjør en formet ladning som er orientert omkring hulrommet (4 0) inne i hver fordypning (38,52) til foringen, og en detonator (34) innrettet for å antenne den eksplosive ladning (18) slik at denne vil bringe fordypningene (38,52) til å kollapse omkring hvert tilsvarende hulrom (4 0) i foringen for derved å generere flere materialgjennomtrengende stråler.

2. Perforeringsanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at foringen (36,50) er hovedsakelig plan.

3 . Perf oreringsanordning ifølge krav 1', karakterisert ved at foringen (36,50) er formet til en geometrisk form som tillater innføring av foringen i en brønn.

4. Perforeringsanordning ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at den eksplosive ladning (18) omfatter flere eksplosive ladninger (18) hver posisjonert nært inntil en fremstikkende overflatedel på den andre overflate av foringen.

5. Perforeringsanordning ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at hvert hulrom (4 0) inne i en f oringsf ordypning (38,52) er symmetrisk omkring en akse som står normalt på den første overflate (16) av foringen.

6. Perforeringsanordning ifølge krav 5, karakterisert ved at foringen (36,50) er formet slik at de materialgjennomtrengende stråler forplanter seg i minst to radielle retninger.

7. Perforeringsanordning ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at hver fordypning (38,52) er tildannet av et metallisk materiale med en annen sammensetning enn de ikke-fordypede deler av foringen.

8. Perforeringsanordning ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at detonatoren (34) omfatter et plant utgangsark tildannet til en sylinder.

9. Perforeringsanordning innrettet for generering av flere materialgjennomtrengende stråler i en brønn, karakterisert ved at den omfatter: en base (10) med en indre overflate (14) og en ytre overflate (16), flere åpninger (12) i basen (10) , en foring (22) anbrakt nær inntil den ytre overflate (16) til basen (10), idet foringen (22) har flere fordypninger (24) som hver strekker seg inn i én av åpningene (12) og derved avgrenser et hulrom (26) formet omkring en akse som står normalt på den ytre overflate (16) av basen (10), og innrettet til å avgrense en fremstikkende foringsoverflate (28) som strekker seg fra den innvendige overflate (14) av basen (10), en eksplosiv ladning (18) plassert nær hver fremstikkende overflate (28) til foringen (22), idet den eksplosive ladning (18) og hver fordypning (24) i foringen (10) sammen danner flere formede ladninger (18) som hver er symmetrisk omkring aksen til det tilsvarende hulrom (26), og en detonator (34) innrettet til å antenne den eksplosive ladning slik at det genereres flere materialgjennomtrengende stråler som går ut fra de formede ladninger.

10. Perforeringsanordning ifølge krav 9, karakterisert ved at foringen (22) er hovedsakelig plan.

11. Perforeringsanordning ifølge krav 9-10, karakterisert ved at den ytre overflaten av basen (10), samt foringen (22) danner en geometrisk form, og hvor foringen (22) og basen (10) er innførbare i en sylindrisk brønn.

12. Perforeringsanordning ifølge krav 9-11, karakterisert ved at foringen (22) er festet til basen (10).

13. Perforeringsanordning ifølge krav 9-12, karakterisert ved at den ytterligere omfatter et flertall eksplosive ladninger (18) som hver er anordnet nær en tilsvarende fremstikkende foringsoverflate.

14. Perforeringsanordning ifølge krav 9-13, karakterisert ved at foringen (22) er tildannet av et metallisk materiale.

15. Perforeringsanordning ifølge krav 9-14, karakterisert ved at hver foringsfordypning (24) er utformet av et metallisk materiale som har en annerledes sammensetning enn de ikke-fordypede partier av foringen (22) .

16. Perforeringsanordning innrettet for generering av flere materialgjennomtrengende stråler nede i et brønnhull, karakterisert ved at den omfatter: en plan base (10) som er innrettet til å formes til en geometrisk form med en ytre overflate (16) som egner seg for innføring i brønnhullet og en indre overflate (14) , flere åpninger (12) i basen (10), en metallisk foring (22) anbrakt nært inntil den ytre overflate (16) av basen (10) , idet foringen har flere fordypninger (24) som hver strekker seg gjennom en åpning (12) slik at hver fordypning (24) utgjør et hulrom (40) som er åpent mot den ytre overflate av basen og dessuten utgjør en fremskjøvet foringsoverflate (2 8) nær inntil basens (10) indre overflate (14), minst en eksplosiv ladning (18) som er anbrakt nært inntil en fremskjøvet foringsoverflate (2 8) for én av fordypningene (24) i foringen (22), idet den eksplosive ladning (18) og den enkelte tilsvarende fordypning (24) i foringen (22) sammen danner en formet ladning, idet de formede ladninger (18) er orientert i minst to radielle retninger, og en detonator (34) innrettet til å antenne den eksplosive ladning (18) og for å generere flere materialgjennomtrengende stråler.

17. Perforeringsanordning ifølge krav 16, karakterisert ved at den ytre overflate (16) av basen (10) er hovedsakelig sylindrisk.

18. Perforeringsanordning ifølge et av kravene 16-17, karakterisert ved at hver foringsfordypning (24) er utformet av et metallisk materiale med en annerledes sammensetning enn de ikke-fordypede partier av foringen (22) .

19. Perforeringsanordning ifølge et av kravene 16-18, karakterisert ved at den ytre overflate (16) av basen (10) er praktisk talt plan og at den indre overflate (14) av basen (10) ikke er plan.

20. Perforeringsanordning ifølge et av kravene 16-19, karakterisert ved at den dessuten omfatter et hus (48) omkring foringen (22) for oppfanging av vrak-materialet som dannes inne i anordningen når detonatoren (34) aktiverer de eksplosive ladninger (44).