WO2005033472A1 - Perforationskanonensystem mit selbstverschliessenden durchschusslöchern - Google Patents

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Rolf Rospek
Malte Veehmayer
Wilfried KRAUTHÄUSER
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Dynaenergetics Gmbh & Co. Kg
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    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/11—Perforators; Permeators
    • E21B43/119—Details, e.g. for locating perforating place or direction

Definitions

  • the invention relates to a perforation cannon according to the preambles of claims 1 and 3.
  • Perforation guns are used in deep well blasting in the oil and gas industry to connect the well to the storage horizon.
  • a perforation cannon consists of an outer cannon tube, inside of which perforators - usually hollow or gusset charges - are arranged, which when fired shoot radially outwards through the cannon tube. Bullet holes remain in the gun barrel after the shot.
  • a detonating cord leads to the ignition of the perforators through the cannon tube, which causes the perforators to ignite when ignited.
  • the invention is based, to improve a perforation cannon according to the preamble of claim 1 so that with simple and safe the task
  • BESTATIGUNGSKOPIE Averaging of fragments from the gun barrel into the bore is avoided.
  • this object is achieved in a first embodiment in that the means for the automatic closure comprise cartridges with a swellable 2-component foam and these cartridges are arranged in the gun barrel and can be broken open by the detonated detonating cord, causing foam to escape from the cartridges and plugged the bullet holes.
  • a cartridge is arranged adjacent to a perforator.
  • Perforation cannons with an outer cannon tube, in the interior of which perforators are arranged, which can be ignited via an explosive cord leading through the cannon tube and, after ignition, penetrate the cannon tube at the bullet holes, means for automatically closing the bullet holes being provided and these means comprising a sliding tube, which can be displaced by at least the diameter of the bullet hole after being shot through an adjusting device, it is proposed that the sliding tube be arranged coaxially between the perforators and the gun barrel. This prevents fragments from escaping from the gun barrel into the bore with simple and safe means. In the case of horizontal bores where the outer wall rests on the casing inner wall, it is possible to move the sliding tube safely.
  • the sliding tube is fixed in its starting position by means of a securing element which breaks open after the detonating cord has been ignited and releases the displacement of the sliding tube.
  • the adjusting device can be a tensioned spring or a pyrotechnic element that can be ignited by the detonating cord.
  • the sliding tube is closed on the side into which it is to be displaced and is open on the other side, as a result of which the sliding tube is designed like a piston which can be displaced by the pressure which builds up as a result of the ignition of the perforators.
  • the sliding tube have a wall thickness which allows radial expansion due to the pressure built up in the gun barrel after the perforators have been ignited.
  • a fluid is advantageously arranged between the slide tube and the gun barrel.
  • the timing of the radial expansion of the sliding tube can be controlled with this fluid.
  • FIG. 1 shows a cannon tube 1 of a perforation cannon for use in the petroleum and natural gas industry for connecting a bore to the storage horizon.
  • the gun barrel 1 is closed at both ends by a connector or closure 18.
  • a sliding tube 4 In the interior of the gun barrel 1 there is a sliding tube 4 and therein a load carrier 9 to which perforators 10 are fastened.
  • these perforators are 10 shaped charges.
  • an explosive cord 11 is guided to the respective ignition points of the perforators 10.
  • the detonating cord 11 is guided through the connectors or terminations 18 into the interior of the perforation gun.
  • the inner tube or the sliding tube 4 is z. B. closed by a cap 5.
  • predetermined breaking points 3 can be introduced, so that after the perforators 10 have been ignited, the shaped charge jet 12 (see FIG. 2) which is formed can penetrate the gun barrel 1 unhindered.
  • Fig. 2 shows a section of the perforation gun immediately after ignition.
  • the detonating cord 11 has ignited the perforators 10.
  • the shaped charge jet or shaped charge jet 12 which has formed has penetrated the sliding tube 4 and the gun barrel 1.
  • the metal housings of the perforators 10 disassemble and form fragments and fragments that form part of the “debris”.
  • Figure 3 shows a section of the perforation gun immediately after the shot.
  • the shaped charge jet 12 has penetrated the sliding tube 4 at the shot hole 14 and the cannon tube 1 at the shot hole 13.
  • a pressure has built up inside the sliding tube 4. This pressure acts on the sliding tube 4 in the direction of the securing element 7, since the sliding tube 4 is closed on the side of the securing element 5 by a cap 5 and is open on the opposite side.
  • "Debris" 17 has formed inside.
  • Figure 4 shows a section of the perforation gun after the shot.
  • the securing element 7 has been sheared off by the pressure in the sliding tube 4, as a result of which the sliding tube 4 has shifted up to the nearby connector or closure 18.
  • the remaining small parts or the debris 17 cannot leave the gun barrel 1. It is not shown that this is Inner tube 4 inflated after the shot and thus wedged with the gun barrel 1.
  • the invention thus consists of a mechanism which closes the perforation holes or bullet holes 13 in the cannon wall 2 after the shot and thus prevents the "debris" 17 from escaping.
  • Foam cartridges or, as described, a slide or rotation mechanism can serve as the locking mechanism
  • some perforators 10 are replaced by cartridges with 2-component foam, and the detonating cord 11, which ignites the perforators or charges 10, causes the cartridge to react, the foam swells and clogs the bullet holes 13.
  • a second tube, a sliding tube 4 is inserted into the cannon, which after being shot through is displaced by at least the diameter of the shot hole 13 (either longitudinally; sliding mechanism or transversely, rotating mechanism).
  • the displacement path is identified by an X (see reference numeral 8).
  • a preloaded spring can be used to move the inner tube or second tube or sliding tube 4 after the shot.
  • the sliding tube 4 is fixed in the starting position via a securing element 7 which, for. B. is destroyed by the detonating cord 11.
  • a securing element 7 z. B. bolts, snap rings or screws. The destruction can e.g. B. also via a pyro-technical element - possibly also with a delay block.
  • the internal pressure in the cannon after the shot caused by the reaction products of the explosives in the perforators 10 can also serve to move the slide mechanism or the slide tube 5. If the sliding tube 4 is closed on the side into which it is to move and kept open on the other side, this sliding tube 4 can move like a piston. The internal pressure can only be relieved through the perforation holes 14 and the bushings 6 for the detonating cord 11. The time to complete pressure reduction is sufficient to move the slide tube 4 and thus to close the bullet holes 13, 14. At the same time, the gas pressure causes the slide tube 4 to inflate (also known for conventional perforation guns under the term “gun swell”). The expanding slide tube 4 can wedge against the inner wall of the outer tube or gun tube 1 and therefore cannot slip back Expansion can be controlled, for example, by means of a fluid between the inner and outer walls, for example using grease or silicone oil.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Perforationskanone mit einem äußeren Kanonenrohr (1), in dessen Innerem Perforatoren (10) angeordnet sind, die über eine durch das Kanonenrohr (1) führende Sprengschnur (11) zündbar sind und nach Zündung das Kanonenrohr (1) an Durchschusslöchern (13) durchschlagen, wobei Mittel zum selbsttätigen Verschließen der Durchschusslöcher (13) vorgesehen sind. Erfindungsgemäß wird in einer Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Mittel zum selbsttätigen Verschließen Kartuschen mit einem quellfähigen 2-Komponenten-Schaum umfassen und diese Kartuschen im Kanonenrohr (1) an-geordnet sind und durch die gezündete Sprengschnur (11) aufbrechbar sind, wo-durch Schaum aus den Kartuschen austritt, aufquillt und die Durchschusslöcher (13) verstopft. Wenn die Mittel zum selbsttätigen Verschließen der Durchschusslöcher (13) ein Schieberohr (4) umfassen, welches nach dem Durchschuss durch eine Verstell-vorrichtung um mindestens den Durchmesser des Durchschussloches (13) ver-schiebbar ist, wird vorgeschlagen, dass das Schieberohr (4) koaxial zwischen den Perforatoren (10) und dem Kanonenrohr (1) angeordnet ist.

Description

Perforationskanonensystem mit selbstverschließenden Durchschusslöchern
Die Erfindung betrifft eine Perforationskanone nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 3.
Perforationskanonen werden in Tiefbohrlochsprengungen in der Erdöl- und Erdgasindustrie zur Anbindung der Bohrung an den Speicherhorizont eingesetzt.
Eine Perforationskanone besteht aus einem äußeren Kanonenrohr in dessen Innerem Perforatoren - üblicherweise Hohl- oder Gechossladungen - angeordnet sind, die bei Zündung radial nach außen durch das Kanonenrohr schießen. Im Kanonenrohr verbleiben nach dem Schuß Durchschusslöcher.
Zur Zündung der Perforatoren führt eine Sprengschnur durch das Kanonenrohr, welche bei Zündung die Perforatoren zur Zündung veranlasst.
Problematisch bei diesem Verfahren sind Rest- und Bruchstücke der Perforatoren und der Bauteile im Inneren des Kanonenrohrs, die nach dem Schuss durch die Durchschusslöcher in die Bohrung fallen können. Um diesen „debris" (Bruchstücke der Perforatoren) zu vermeiden wird in der WO 00/49 271 vorgeschlagen, zum selbstständigen Verschließen der Durchschusslöcher ein außerhalb des Kanonenrohrs auf der Außenwand des Kanonenrohrs aufliegendes verschiebbares Schieberohr nach dem Schuss durch eine Verstellvorrichtung um mindestens den Durchmesser des Durchschusslochs zu verschieben. Dieses System hat in Hori- zontalbohrungen Nachteile, da hier das Schieberohr auf der „Casing Innenwandung" aufliegt und dadurch ein Verschieben des Schieberohrs erschwert ist. Mit Casing ist das in die Bohrung eingebrachte äußerste Rohr gemeint, in das die Perforationskanone eingelassen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Perforationskanone nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, dass mit einfachen und sicheren
BESTATIGUNGSKOPIE Mitteln ein Austreten von Bruchstücken aus dem Kanonenrohr in die Bohrung vermieden wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in einer ersten Ausführungsform dadurch gelöst, dass die Mittel zum selbsttätigen Verschließen Kartuschen mit einem quellfähigen 2-Komponenten-Schaum umfassen und diese Kartuschen im Kanonenrohr angeordnet sind und durch die gezündete Sprengschnur aufbrechbar sind, wodurch Schaum aus den Kartuschen austritt, aufquillt und die Durchschusslöcher verstopft.
In bevorzugter Ausführungsform ist jeweils einem Perforator eine Kartusche be- nachbart angeordnet.
Bei Perforationskanonen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3, d. h. Perforationskanonen mit einem äußeren Kanonenrohr, in dessen Inneren Perforatoren angeordnet sind, die über eine durch das Kanonenrohr führende Sprengschnur zündbar sind und nach Zündung das Kanonenrohr an Durchschusslöchern durch- schlagen, wobei Mittel zum selbsttätigen Verschließen der Durchschusslöcher vorgesehen sind und diese Mittel ein Schieberohr umfassen, welches nach dem Durchschuss durch eine Verstellvorrichtung um mindestens den Durchmesser des Durchschussloches verschiebbar ist, wird vorgeschlagen, dass das Schieberohr koaxial zwischen den Perforatoren und dem Kanonenrohr angeordnet ist. Hier- durch wird mit einfachen und sicheren Mitteln ein Austreten von Bruchstücken aus dem Kanonenrohr in die Bohrung vermieden. Bei Horizontalbohrungen, bei denen die Außenwand auf der Casing Innenwandung aufliegt, ist ein Verschieben des Schieberohrs sicher möglich.
In bevorzugter Ausführungsform ist das Schieberohr in seiner Ausgangsposition über ein Sicherungselement fixiert, welches nach Zündung der Sprengschnur aufbricht und die Verschiebung des Schieberohrs freigibt. Die Verstellvorrichtung kann eine gespannte Feder oder ein durch die Sprengschnur zündbares pyrotechnisches Element sein.
In bevorzugter Ausführungsform ist das Schieberohr auf der Seite, in die es sich verschieben soll, verschlossen und ist auf der anderen Seite offen, wodurch das Schieberohr wie ein Kolben ausgebildet ist, der durch den sich durch die Zündung der Perforatoren aufbauenden Druck verschiebbar ist.
Zur Fixierung des Schieberohrs nach dem Verschieben wird vorgeschlagen, dass das Schieberohr eine Wandstärke aufweist, die eine radiale Ausdehnung durch den im Kanonenrohr aufgebauten Druck nach der Zündung der Perforatoren zu- lässt.
Vorteilhafterweise ist zwischen dem Schieberohr und dem Kanonenrohr ein Fluid angeordnet. Mit diesem Fluid kann der Zeitpunkt der radialen Ausdehnung des Schieberohrs gesteuert werden.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung an Hand von vier Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt ein Kanonenrohr 1 einer Perforationskanone zur Verwendung in der Erdöl- und Erdgasindustrie zur Anbin düng einer Bohrung an den Speicherhorizont. Das Kanonenrohr 1 ist an seinen beiden Enden durch jeweils einen Verbinder oder Abschluß 18 verschlossen. Im Inneren des Kanonenrohrs 1 ist ein Schieberohr 4 und darin ein Ladungsträger 9 angeordnet, an dem Perforatoren 10 befestigt sind. In den gezeigten Figuren sind diese Perforatoren 10 Hohlladungen. Zur Zündung dieser Perforatoren 10 ist eine Sprengschnur 11 an die jeweiligen Anzündpunkte der Perforatoren 10 geführt. Die Sprengschnur 11 ist durch die Ver- binder oder Abschlüsse 18 in das Innere der Perforationskanone geführt. Das Innenrohr bzw. das Schieberohr 4 ist an einem Ende z. B. durch eine Kappe 5 verschlossen. Angrenzend an die Kappe 5 befindet sich ein Sicherungselement 7, hier ein Scherstift, der das Schieberohr 4 vor dem Schuß derart befestigt, dass sich das Schieberohr 4 nicht im Kanonenrohr 1 in Längsrichtung verschieben kann.
Im Kanonenrohr 1 , gegenüber den Perforatoren 10, können Sollbruchstellen 3 eingebracht sein, so dass nach der Zündung der Perforatoren 10 der sich bildende Hohlladungsstrahl 12 (siehe Figur 2) ungehindert das Kanonenrohr 1 durchschlagen kann.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Perforationskanone unmittelbar nach der Zündung. Die Sprengschnur 11 hat die Perforatoren 10 gezündet. Der sich ausbildende Hohlladungsstrahl bzw. Hohlladungsjet 12 hat das Schieberohr 4 und das Kanonenrohr 1 durchschlagen. Die Metallgehäuse der Perforatoren 10 zerlegen sich dabei und bilden Splitter- und Bruchstücke, die einen Teil des „debris" bilden.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus der Perforationskanone unmittelbar nach dem Schuß. Der Hohlladungsstrahl 12 hat das Schieberohr 4 am Durchschußloch 14 und das Kanonenrohr 1 am Durchschußloch 13 durchschlagen. Im Inneren des Schieberohrs 4 hat sich ein Druck aufgebaut. Dieser Druck beaufschlagt das Schieberohr 4 in die Richtung des Sicherungselements 7, da dass Schieberohr 4 an der Seite des Sicherungselements 5 durch eine Kappe 5 verschlossen ist und an der entgegengesetzten Seite offen ist. Im Inneren hat sich „debris" 17 gebildet.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus der Perforationskanone nach dem Schuß. Durch den Druck im Schieberohr 4 ist das Sicherungselement 7 abgeschert worden, wodurch das Schieberohr 4 sich bis an den naheliegenden Verbinder oder Abschluß 18 verschoben hat. Dadurch können die verbleibenden Kleinteile bzw. der debris 17 nicht das Kanonenrohr 1 verlassen. Nicht gezeigt ist, dass sich das Innenrohr 4 nach dem Schuß aufgebläht und damit mit dem Kanonenrohr 1 verkeilt hat.
Die Erfindung besteht also aus einem Mechanismus, der nach dem Schuss die Perforationslöcher bzw. Durchschußlöcher 13 in der Kanonenwandung 2 verschließt und somit ein Austreten des „debris" 17 verhindert. Als Verschlussmechanismus können Schaumkartuschen oder wie beschrieben, ein Schieber- oder Rotationsmechanismus dienen. Im Falle der Schaumkartuschen werden einige Perforatoren 10 durch Kartuschen mit 2-Komponenten Schaum ersetzt. Durch die Sprengschnur 11 , die die Perforatoren bzw. Ladungen 10 zündet, wird die Kartu- sehe zur Umsetzung gebracht, der Schaum quillt auf und verstopft die Durchschusslöcher 13.
Beim Einsatz eines Schiebe- oder Rotationsmechanismus wird in die Kanone ein zweites Rohr, ein Schieberohr 4 eingesetzt, welches nach dem Durchschuss um mindestens den Durchmesser des Durchschusslochs 13 verschoben wird (entwe- der longitudinal; Schiebermechanismus oder transversal, Rotationsmechanismus). In Figur 1 ist der Verschiebeweg durch ein X (siehe Bezugszeichen 8) gekennzeichnet. Zur Bewegung des Innenrohrs bzw. zweiten Rohrs oder Schieberohrs 4 nach dem Schuss kann eine vorgespannte Feder dienen. Das Schieberohr 4 wird in der Ausgangsposition über ein Sicherungselement 7 fixiert, das z. B. durch die Sprengschnur 11 zerstört wird. Als Sicherungselement 7 können z. B. Bolzen, Sprengringe oder Schrauben dienen. Die Zerstörung kann z. B. auch über ein py- rotechnisches Element - eventuell auch mit Verzögerungssatz - erfolgen. Zur Bewegung des Schiebermechanismus bzw. des Schieberohrs 5 kann auch der Innendruck in der Kanone nach dem Schuss verursacht durch die Reaktionspro- dukte der Explosivstoffe in den Perforatoren 10 dienen. Wird das Schieberohr 4 auf der Seite, in die es sich bewegen soll verschlossen und auf der anderen Seite geöffnet gehalten, kann sich dieses Schieberohr 4 wie ein Kolben bewegen. Der Innendruck kann sich nur durch die Perforationslöcher 14 und die Durchführungen 6 für die Sprengschnur 11 entlasten. Die Zeit bis zum vollständigen Druckabbau ist ausreichend um das Schieberohr 4 zu verschieben und somit die Durchschusslöcher 13, 14 zu verschließen. Gleichzeitig bewirkt der Gasdruck ein Aufblähen des Schieberohrs 4 (bekannt auch für herkömmliche Perforationskanonen unter dem Begriff „Gun Swell"). Das sich ausdehnende Schieberohr 4 kann sich mit der Innenwandung des Außenrohrs bzw. Kanonenrohrs 1 verkeilen und kann somit nicht zurückrutschen. Der Zeitpunkt dieser Ausdehnung kann z. B. über ein Fluid zwischen Innen- und Außenwandung kontrolliert werden. Hierzu kann z. B. Fett oder Silikonöl verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Perforationskanone mit einem äußeren Kanonenrohr (1), in dessen Innerem Perforatoren (10) angeordnet sind, die über eine durch das Kanonenrohr (1) führende Sprengschnur (11) zündbar sind und nach Zündung das Kanonenrohr (1 ) an Durchschusslöchern (13) durchschlagen, wobei Mittel zum selbsttätigen Verschließen der Durchschusslöcher (13) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum selbsttätigen Verschließen Kartuschen mit einem quellfähigen 2-Komponenten-Schaum umfassen und diese Kartuschen im Kanonenrohr (1 ) angeordnet sind und durch die gezündete Sprengschnur (11 ) aufbrechbar sind, wodurch Schaum aus den Kartuschen austritt, aufquillt und die Durchschusslöcher (13) verstopft.
2. Perforationskanone nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einem Perforator (10) eine Kartusche benachbart angeordnet ist.
3. Perforationskanone mit einem äußeren Kanonenrohr (1 ), in dessen Innerem Perforatoren (10) angeordnet sind, die über eine durch das Kanonenrohr (1 ) führende Sprengschnur (1 1 ) zündbar sind und nach Zündung das Kanonenrohr (1 ) an Durchschusslöchern (13) durchschlagen, wobei Mittel zum selbsttätigen Verschließen der Durchschusslöcher (13) vorgesehen sind und diese Mittel ein Schieberohr (4) umfassen, welches nach dem Durchschuss durch eine Ver- Stellvorrichtung um mindestens den Durchmesser des Durchschussloches (13) verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schieberohr (4) koaxial zwischen den Perforatoren (10) und dem Kanonenrohr (1 ) angeordnet ist.
4. Perforationskanone nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schieberohr (4) in seiner Ausgangsposition über ein Sicherungselement (7) fi- xiert ist, welches nach Zündung der Sprengschnur (1 1 ) aufbricht und die Verschiebung des Schieberohrs (4) freigibt.
5. Perforationskanone nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung eine gespannte Feder ist.
6. Perforationskanone nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteilvorrichtung ein durch die Sprengschnur (11) zündbares pyrotechnisches Element ist.
7. Perforationskanone nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schieberohr (4) auf der Seite, in die es sich verschieben soll, verschlossen ist und auf der anderen Seite offen ist und dadurch wie ein Kolben durch den sich durch die Zündung der Perforatoren (10) aufbauenden Druck verschiebbar ist.
8. Perforationskanone nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schieberohr (4) eine Wandstärke aufweist, die eine radiale Ausdehnung und damit Fixierung im Kanonenrohr (1) nach dem Verschieben des Schieberohrs (4) durch den im Kanonenrohr (1) aufgebauten Druck nach der Zündung der Perforatoren (10) zulässt.
9. Perforationskanone nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schieberohr (4) und dem Kanonenrohr (1) ein Fluid angeordnet ist.
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