RU2077660C1

RU2077660C1 - Method for thermodynamic perforation of the cased well and device for implementing the same

Info

Publication number: RU2077660C1
Application number: RU93047429A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Волдаев
Original assignee: Николай Александрович Волдаев
Priority date: 1993-10-11
Filing date: 1993-10-11
Publication date: 1997-04-20

Abstract

FIELD: well drilling. SUBSTANCE: nozzle-provided unit with combustion chamber solid fuel charge is used. The charge of solid fuel is burned to produce super-sound high-temperature gaseous jet. The jet is guided to the obstacle and the perforation is carried out by erosion to form a cavern in casing string wall, drill string-borehole annulus cement stone, and productive rock. A passage of hydrodynamic coupling is provided though the cavern between the well and the productive rock. Than the cavern surface is cleaned by blowing. Than porous filtering coating is applied to this surface. As this takes place, perforation, cavern blowing, and applying the filtering coating are carried out on the base of different compositions of combustion products after burning solid fuel charge. The conditions of temperature and blowing down of the combustion products are changed. The device for thermodynamic perforation of the cased well includes a casing, combustible chamber with a charge of solid fuel placed in it, nozzle unit and ignition initiator. The device has an insertion piece placed between the charge of solid fuel and nozzle unit. It is made so as to be revolved stabilize the jet of the combustion products. A pressure down plank is there to stop the device to the casing string. The pressure down plank is made in the form of a cylinder with differential piston. Over-the-piston cavity includes a layer with erosion additions, a layer with additions for blowing off and a layer with additions of porous filtering coating. They are made so as to be burnt subsequently. The device has outer armoring thimble. The thimble is installed in the casing with a gap filled with viscous compound. Outer surfaces of the nozzle unit and combustion chamber have protective reflecting screen. EFFECT: higher efficiency. 4 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к способам перфорации обсаженных скважин, преимущественно для вскрытия слабоконсолидированных продуктивных пластов, а также пластов, расположенных вблизи газо- и водонефтяных контактов. The invention relates to the mining industry, in particular to methods for perforating cased wells, primarily for opening weakly consolidated productive formations, as well as formations located near gas and water-oil contacts.

Известен способ перфорации сверлящим перфоратором [1] Пласт вскрывают путем сверления отверстия диаметром 14 16 мм, в связи с чем не могут повреждаться ударным импульсом ни обсадная колонна, ни цементный камень. A known method of perforation with a perforating drill [1] The layer is opened by drilling holes with a diameter of 14 to 16 mm, and therefore neither the casing nor the cement stone can be damaged by the shock pulse.

В этом заключается принципиальное отличие и преимущество сверлящей перфораторации над торпедным, кумулятивным и пулевым способами перфорации при вскрытии пластов, расположенных вблизи газо- и водонефтяных контактов, где недопустимо разрушение изолирующего цементного камня. This is the fundamental difference and advantage of drilling perforation over torpedo, cumulative and bullet perforation methods when opening formations located near gas and water-oil contacts, where the destruction of insulating cement stone is unacceptable.

Недостатками способа являются невысокая производительность сверлящего перфоратора вследствие частых прихватов сверла и отказов электромеханического привода, а также интенсивное запескование скважины при вскрытии слабоконсолидированных продуктивных пластов. The disadvantages of the method are the low productivity of the drilling punch due to frequent sticking of the drill and failures of the electromechanical drive, as well as intensive sanding of the well when opening weakly consolidated reservoirs.

Известен способ вскрытия пластов со слабоконсолидированной структурой породы [2] в соответствии с которым опускают в обсаженную скважину на одиночной трубной колонне органы для образования гравийной набивки, имеющие фильтр и перфоратор. Осуществляют перфорацию скважины и подают гравий через трубную колонну и органы для образования гравийной набивки в обсаженную скважину вокруг фильтра. Извлекают пластовую жидкость через отверстия перфорации, гравий и фильтр вверх по скважине на поверхность земли. A known method of opening formations with a weakly consolidated rock structure [2] in accordance with which are lowered into a cased hole on a single pipe string bodies for the formation of gravel packing having a filter and a perforator. The well is perforated and gravel is fed through the pipe string and organs to form gravel packing into the cased well around the filter. The formation fluid is removed through the perforation holes, gravel and filter up the well to the surface of the earth.

Недостатками способа являются его высокая трудоемкость и ограничение при вскрытии вблизи контактных зон из-за повреждения затрубного цементного камня кумулятивной или пулевой перфорацией. The disadvantages of the method are its high complexity and restriction when opening near the contact areas due to damage to the annular cement stone by cumulative or bullet perforation.

Известен способ термомеханического бурения скважин высокотемпературными газообразивными струями, в соответствии с которым сжигают топливную смесь в призабойной части скважины и вводят в нее на участке разгона абразивные частицы [3]
Недостатком способа является невысокая скорость струи, что значительно снижает эффективность способа.A known method of thermomechanical drilling of wells with high-temperature gaseous jets, in accordance with which the fuel mixture is burned in the near-well part of the well and abrasive particles are introduced into it at the acceleration site [3]
The disadvantage of this method is the low speed of the jet, which significantly reduces the effectiveness of the method.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ термодинамического разрушения минеральных сред сверхзвуковой струей высокотемпературного газа [4] который получают сжиганием смеси углеводородного горючего и окислителя в замкнутом объеме камеры сгорания, направляют его через сопловую насадку на разрушаемую поверхность. Closest to the proposed method is a method of thermodynamic destruction of mineral media by a supersonic jet of high-temperature gas [4], which is obtained by burning a mixture of hydrocarbon fuel and an oxidizing agent in a closed volume of a combustion chamber, directing it through a nozzle nozzle to a destructible surface.

Достоинство способа состоит в том, что его применение не приводит к разрушению цементного камня. The advantage of the method is that its use does not lead to the destruction of cement stone.

Недостатком способа является образование в продуктивной породе обширной каверны, способствующей интенсивному пескопроявлению из слабоконсолидированных пластов. The disadvantage of this method is the formation in the productive rock of an extensive cavity, contributing to intensive sand development from weakly consolidated formations.

Целью изобретения является безударное образование перфорационного канала и предотвращение выноса песка из пласта в скважину. The aim of the invention is the shockless formation of a perforation channel and preventing the removal of sand from the formation into the well.

Поставленная цель достигается тем, что поэтапно изменяя состав, температуру и режим истечения продуктов сгорания, образующих высокотемпературную струю, сначала посредством эрозионного воздействия образуют в стенке обсадной колонны, затрубном цементном камне и продуктивной породе каверну, служащую каналом гидродинамической связи с пластом, затем очищают поверхность каверны продувкой и потом наносят на поверхность каверны фильтрующее покрытие с заданной пористостью. This goal is achieved by gradually changing the composition, temperature and flow regime of the combustion products forming a high-temperature jet, first by means of erosion, they form a cavity in the casing wall, annular cement stone and productive rock, which serves as a channel of hydrodynamic communication with the formation, and then clean the surface of the cavity by blowing and then a filter coating with a given porosity is applied to the surface of the cavity.

Предлагаемый способ может быть совмещен с известными способами перфорации: кумулятивной и пулевой. В этом случае предварительно перфорируют колонну известным способом, а затем производят обработку полученного канала высокотемпературной газовой струей. The proposed method can be combined with known methods of perforation: cumulative and bullet. In this case, the column is pre-perforated in a known manner, and then the resulting channel is treated with a high-temperature gas jet.

Наиболее близким к предлагаемому устройству для осуществления способа является устройство аппарата АСГ105К [5] Аппарат состоит из камер сгорания, в которых размещаются пороховые заряды, каждая камера снабжена сопловым переходником с коническим каналом и сменным сопловым вкладышем, воспламенитель размещен в межкамерном переходнике. Closest to the proposed device for implementing the method is the device apparatus ASG105K [5] The device consists of combustion chambers in which powder charges are placed, each chamber is equipped with a nozzle adapter with a conical channel and a replaceable nozzle insert, the igniter is placed in the interchamber adapter.

Известное устройство имеет следующие недостатки:
1) использование сопловых переходников с повернутыми на 90 градусов соплами приведет к возникновению вращающего момента вокруг поперечной оси аппарата и значительной прижимной силы, в результате действия которых аппарат будет произвольно перемещаться относительно стенки скважины при истечении струи, что недопустимо при реализации предлагаемого способа;
2) конструкция порохового заряда и камеры сгорания прототипа не может обеспечить необходимых в предлагаемом способе переменных режимов истечения продуктов сгорания;
3) истечение струи в глухую преграду приводит к образованию возвратной струи, которая действует в стесненных условиях скважины на поверхность аппарата разрушает камеру сгорания.The known device has the following disadvantages:
1) the use of nozzle adapters with nozzles rotated 90 degrees will lead to the appearance of a torque around the transverse axis of the apparatus and significant clamping force, as a result of which the apparatus will arbitrarily move relative to the well wall when the jet expires, which is unacceptable when implementing the proposed method;
2) the design of the powder charge and the combustion chamber of the prototype cannot provide the necessary in the proposed method variable modes of flow of combustion products;
3) the outflow of the jet into a blank barrier leads to the formation of a return jet, which acts in the cramped conditions of the borehole on the surface of the apparatus and destroys the combustion chamber.

Осуществить предлагаемый способ позволяет устройство, в котором заряд твердого топлива состоит из сгорающих в следующей последовательности слоев: слоя эрозионного воздействия (в состав топлива которого в одном из вариантов исполнения включено от 15 до 30% мелкодисперсного порошка металлов термитной группы или их сплавов с диаметром агломератов от 100 до 300 мкм), слоя продувки, слоя нанесения фильтрующего покрытия (в состав топлива которого в одном из вариантов исполнения входит до 40% порошка металлов с диаметром агломератов от 50 до 1000 мкм); заряд помещен в бронирующий стакан, зазор между стаканом и внутренней поверхностью камеры залит вязким компаундом, между зарядом и сопловым блоком размещен поворачивающий и стабилизирующий поток продуктов сгорания вкладыш, наружные поверхности соплового блока и камеры сгорания защищены от действия возвратной струи экраном отражателя, камера сгорания снабжена прижимом, ориентирующими удерживающим ее от перемещений в обсадной колонне, который выполнен в виде дифференциального поршня, установленного с возможностью возвратного перемещения в цилиндре, причем полость цилиндра сообщается с полостью камеры. To carry out the proposed method allows a device in which the charge of solid fuel consists of layers burning in the following sequence: an erosion layer (the fuel composition of which in one embodiment includes from 15 to 30% fine powder of metals of the termite group or their alloys with a diameter of agglomerates from 100 to 300 microns), a purge layer, a filter coating coating layer (the fuel composition of which in one embodiment includes up to 40% of metal powder with agglomerates with a diameter of 50 to 1000 microns); the charge is placed in an armor cup, the gap between the cup and the inner surface of the chamber is filled with a viscous compound, a turning and stabilizing flow of combustion products is placed between the charge and the nozzle block, the outer surfaces of the nozzle block and the combustion chamber are protected from the action of the return jet by a reflector screen, the combustion chamber is equipped with a clamp guiding it against movement in the casing, which is made in the form of a differential piston mounted with the possibility of return eniya in the cylinder, the cylinder space communicates with the cavity chamber.

По мнению автора отличительные существенные признаки как способа, так и устройства для его осуществления позволяют реализовать поставленную цель и обуславливают соответствие предлагаемого технического решения критерию изобретения "новизна". According to the author, the distinctive essential features of both the method and the device for its implementation allow to achieve the goal and determine the conformity of the proposed technical solution to the criteria of the invention of "novelty."

Автору не известно использование совокупности отличительных признаков способа и устройства в других областях техники, что дает основание считать, что предложенное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия". The author does not know the use of the combination of distinctive features of the method and device in other areas of technology, which gives reason to believe that the proposed technical solution meets the criterion of "significant differences".

Изобретение обеспечивает получение нескольких технических результатов. The invention provides several technical results.

Предложенные способ и устройство могут быть также использованы для прожигания отверстия в стенке обсадной колонны в верхней части окна зарезания при бурении второго ствола скважины. Прожигание отверстия, достаточного для захода бурового инструмента (фрезы) под малым углом к оси скважины, существенно упрощает начальный этап сложной и трудоемкой операции фрезерования колонны. Прожигание требуемого отверстия может быть осуществлено многократным спуском предложенного устройства в интервал фрезерования с ориентацией соплового блока на верхнюю часть окна зарезания. The proposed method and device can also be used to burn holes in the wall of the casing in the upper part of the killing window while drilling the second wellbore. Burning a hole sufficient for a drill tool (cutter) to enter at a small angle to the axis of the well greatly simplifies the initial stage of the complex and time-consuming operation of milling the column. Burning of the desired hole can be carried out by multiple descent of the proposed device in the milling interval with the orientation of the nozzle block to the upper part of the cutting window.

Предложенное устройство может быть использовано и для ликвидации выжиганием оставленного на забое инструмента (долот и др.). The proposed device can be used to eliminate the burning left on the bottom of the tool (bits, etc.).

Предложенные способ и устройство могут быть использованы для резки прихваченных в скважине насосно-компрессорных и бурильных труб. В этом случае сопловой блок устройства должен быть оснащен одним или несколькими рядами сопловых вкладышей, расположенных по окружности. The proposed method and device can be used for cutting stuck in the well tubing and drill pipe. In this case, the nozzle unit of the device should be equipped with one or more rows of nozzle inserts arranged in a circle.

Предложенное устройство может быть использовано для образования протяженных каналов в породе в случае оснащения его выдвигаемым в направлении дна каверны сопловым насадком. The proposed device can be used to form extended channels in the rock if it is equipped with a nozzle nozzle that is extended in the direction of the bottom of the cavity.

На фигурах 1 8 иллюстрируются последовательность этапов способа и результаты воздействия струи на преграду, вариант способа совмещающего кумулятивную и термодинамическую перфорации, варианты исполнения устройства, вариант использования изобретения при зарезании второго ствола скважины и для образования протяженных каналов в породе, а также образец перфорированной в скважинных условиях комбинированной преграды. Figures 1 to 8 illustrate the sequence of steps of the method and the effects of the jet on the obstruction, a variant of the method combining cumulative and thermodynamic perforations, embodiments of the device, an embodiment of the invention when cutting the second wellbore and for the formation of extended channels in the rock, as well as a sample perforated in downhole conditions combined obstruction.

На фиг. 1 показано образование каверны в преграде на этапе эрозионного воздействия. В камере сгорания 1 с соплом 2 получают сверхзвуковую высокотемпературную газовую струю 3 с абразивными частицами 4. Струя разрушает стенку обсадной колонны 5, слой затрубного цементного камня 6 и образует каверну 8 в продуктивной породе 7. При этом происходит расширение газового пузыря 9 в скважинной жидкости. In FIG. 1 shows the formation of a cavity in the barrier at the stage of erosion. In the combustion chamber 1 with the nozzle 2, a supersonic high-temperature gas stream 3 with abrasive particles 4 is obtained. The jet destroys the wall of the casing 5, the annular cement stone layer 6 and forms a cavity 8 in the productive rock 7. At the same time, the gas bubble 9 in the borehole fluid expands.

На фиг.2 показана продувка каверны газовой струей с выносом частиц шлама 10. Продувку проводят в форсированном режиме, при котором границе газового пузыря 9 сообщается дополнительный импульс к расширению. Figure 2 shows the purge of the cavity with a gas jet with the removal of particles of sludge 10. The purge is carried out in forced mode, in which the boundary of the gas bubble 9 is given an additional impulse to expand.

На фиг. 3 показан этап нанесения на поверхность каверны 8 фильтрующего покрытия 11, который осуществляют в т.н. "режиме выбега" при падающем давлении в камере сгорания и низкой скорости струи. Объем газового пузыря стремительно сокращается, поверхности 9 после нанесения покрытия схлопываются. In FIG. 3 shows the stage of applying to the surface of the cavity 8 of the filter coating 11, which is carried out in the so-called "coasting mode" with a falling pressure in the combustion chamber and low jet velocity. The volume of the gas bubble rapidly decreases, the surface 9 collapses after coating.

На фиг.4 иллюстрируется совместное действие кумулятивной и термодинамической перфораций, при котором в отверстие пробивного кумулятивной струей канала 12 наносят фильтрующее покрытие 11. Figure 4 illustrates the combined effect of cumulative and thermodynamic perforations, in which a filter coating 11 is applied to the hole of a piercing cumulative jet of channel 12.

На фиг. 5 показан один из вариантов исполнения устройства. Устройство состоит из камеры сгорания 1, соплового блока 13, соплового вкладыша 14 с герметизирующим колпачком 15, воспламенителя 16, помещенного под пробку 17. Заряд твердого топлива, состоящий из слоя эрозионного воздействия 18, слоя продувки 19, слоя нанесения фильтрующего покрытия 20, заключен в бронирующий стакан 21 (который может быть выполнен в виде единого цилиндра, содержащего заряд с зеркальным расположением воспламенителя, как показано в варианте). Зазор между стаканом и внутренней поверхностью камеры сгорания заполнен вязким компаундом 22. Между зарядом и сопловым блоком размещен вкладыш 23, предназначенный для направления и стабилизации потока продуктов сгорания. Наружные поверхности соплового блока и камеры защищены от действия возвратной струи экраном 24. Камера снабжена прижимом, в виде дифференциального поршня 25 с пружиной 28, установленного в цилиндре 26, который в свою очередь сообщается с полостью камеры 1 каналом 27. В соединениях устройства установлены уплотнительные элементы 29, 30, 31, 32, герметизирующие полость камеры при гидростатическом давлении скважинной жидкости 34 и при сгорании заряда. Прижим показан в исходном и рабочем положении, в котором он упирается в стенку обсадной колонны 33. In FIG. 5 shows one embodiment of the device. The device consists of a combustion chamber 1, a nozzle block 13, a nozzle insert 14 with a sealing cap 15, an ignitor 16 placed under the plug 17. A solid fuel charge, consisting of an erosion layer 18, a purge layer 19, a filter coating coating layer 20, is enclosed in an armor cup 21 (which can be made in the form of a single cylinder containing a charge with a mirror arrangement of the igniter, as shown in the embodiment). The gap between the glass and the inner surface of the combustion chamber is filled with a viscous compound 22. Between the charge and the nozzle block there is an insert 23 designed to direct and stabilize the flow of combustion products. The outer surfaces of the nozzle block and the chamber are protected from the action of the return jet by a screen 24. The chamber is provided with a clamp in the form of a differential piston 25 with a spring 28 installed in the cylinder 26, which in turn communicates with the chamber cavity 1 by the channel 27. Sealing elements are installed in the device connections 29, 30, 31, 32, sealing the cavity of the chamber with hydrostatic pressure of the well fluid 34 and during the combustion of the charge. The clamp is shown in the initial and operating position in which it abuts against the wall of the casing 33.

На фиг.6 также показан вариант исполнения устройства, который отличается от изображенного на фиг.5 формой заряда твердого топлива, формой направляющего вкладыша 23 и отсутствием нижнего прижима 25. FIG. 6 also shows an embodiment of the device, which differs from that shown in FIG. 5 by the shape of the solid fuel charge, the shape of the guide insert 23 and the absence of a lower clip 25.

Устройства действуют следующим образом: воспламенитель поджигает заряд, продукты сгорания через направляющий вкладыш и сопло истекают наружу и срывают герметизирующий колпачок. Преодолевая давление скважинной жидкости продукты сгорания образуют расширяющийся присгорании двух первых слоев заряда газовый пузырь и воздействуют на преграду. Давление в камере сгорания приводит в действие прижим. После сгорания последнего слоя заряда камера заполняется скважинной жидкостью, и прижим под действием пружины и перепада давления на дифференциальном поршне возвращается в исходное состояние. The devices act as follows: the igniter ignites the charge, the combustion products through the guide liner and nozzle flow out and tear off the sealing cap. Overcoming the pressure of the borehole fluid, the combustion products form an expanding combustion of the first two charge layers of the gas bubble and act on the barrier. The pressure in the combustion chamber drives the clamp. After combustion of the last charge layer, the chamber is filled with borehole fluid, and the clamp under the action of a spring and differential pressure on the differential piston returns to its original state.

На фиг.7 показан вариант использования изобретения при зарезании второго ствола скважины. Устройство 36 в варианте, показанном на фиг.6, на кабеле 30 спускается в зону зарезания и сочленяется плоскостью 39 с плоскостью 38 клиновидного башмака 37. Устройство образует в стенке обсадной колонны отверстие и каверну 8. Операция повторяется до образования отверстия необходимого для захода фрезы 40, спускаемой на бурильных трубах 41. Дальнейшее фрезерование колонны для забуривания второго ствола 35 сложности не представляет. 7 shows an embodiment of the invention when killing a second wellbore. The device 36 in the embodiment shown in Fig.6, on the cable 30 descends into the cutting zone and articulates with a plane 39 with a plane 38 of the wedge-shaped shoe 37. The device forms a hole and a cavity in the casing wall 8. The operation is repeated until the hole is formed necessary for the milling cutter 40 to enter run on drill pipes 41. Further milling of the drill string for the second barrel 35 is not difficult.

На фиг.8 иллюстрируется вариант оснащения устройства выдвижным насадком 42, который позволяет углубить каверну 8. On Fig illustrates a variant of equipping the device with a sliding nozzle 42, which allows you to deepen the cavity 8.

Claims

1 1. The method of thermodynamic perforation of a cased hole, including the use of a nozzle block with a combustion chamber and a charge of solid fuel to produce a supersonic high-temperature gas abrasive jet, directing the latter to the barrier and performing perforation, characterized in that the casing wall, annular cement, are taken as the perforated object stone and rock of the reservoir, and the perforation is carried out by erosion before the formation of casing in the wall, annular cement stone and rock of the cavern’s productive formation and providing the channel of the hydrodynamic connection between the well and the productive formation through it, then the surface of the cavity is cleaned by blowing, after which a porous filter coating is applied to these surfaces, while perforation, purging of the cavity and applying a filter coating to its surface are carried out on the basis of various compositions of the products of combustion of a charge of solid fuel with a change in temperature and the regime of expiration of combustion products.2 2. The method according to p. 1, characterized in that before The erosion effects in the barrier form a channel with a cumulative or bullet charge.2 3. A device for thermodynamic perforation of a cased well, including a housing, a combustion chamber with a charge of solid fuel, a nozzle block and an igniter, which is characterized in that it is provided with an insert placed between solid fuel charge and nozzle block, made with the possibility of rotation and stabilization of the jet of combustion products, and a clamp for fixing the device in the casing, made in the form a cylinder with a differential piston, the over-piston cavity of which is connected with the cavity of the combustion chamber, and the solid fuel charge includes a layer with erosive additives, a layer with purge additives and a layer with porous filter coating additives made with the possibility of their sequential combustion, and an external armor cup installed in a housing with a gap, which is filled with a viscous compound, while the outer surfaces of the nozzle block and the combustion chamber are made with a protective reflective screen. 2 4. The device according to claim 3, I distinguish eesya in that the nozzle unit has nozzle adapted to its extension.