Спосіб перфорації обсадної колони нафто-газових свердловин і пристрій для його здійснення

1. Спосіб перфорації обсадної колони нафтогазових свердловин, містить вплив на колону прямо направленими струминами високого тиску рідини, відрізняється тим, що свердловину, обладнану насосно-компресорними трубами (НКТ), заповнюють робочою рідиною до максимально можливого рівня, наприклад до гирла свердловини, але не нижче динамічного рівня свердловини, після чого абсолютно герметично перекривають фонтанну арматуру на свердловині, а через насоснокомпресорні труби здійснюють відкачування рідини із зони колектора до верхнього рівня колектора чи до рівня рівноважного стану, обумовленого припливом рідини в колекторі і продуктивністю відкачування, після чого рідина, розташована поміж обсадної колони і ставом насосно-компресорних труб, зависає, створюючи розтягові напруження, обумовлені власною вагою стовпа рідини у міжтрубному просторі, а фонтанну арматуру на гирлі насосно-компресорних труб також абсолютно герметично перекривають, потім глибокий вакуум, утворившийся над висячим стовпом рідини у міжтрубному просторі, з'єднують з внутрішньою порожниною насосно-компресорних труб, і ударну хвилю, що утворена падаючим стовпом рідини в зоні колектора за допомогою хвильового паккера-концентратора концентрують уздовж осі по амплітуді тиску до отримання розрахункової величини тиску перфорації, направляють по радіусу обсадної колони, роблять дискретною і концентрують по амплітуді уздовж радіуса в заданих точках перфорації обсадної колони, дискретно переміщуючи паккерконцентратор в зоні колектора у кожне нове положення, де задані точки для перфорації і на яких наведений цикл повторюється. 2. Спосіб перфорації обсадної колони нафто-газових свердловин за п. 1, відрізняється тим, що розрахункову висоту спадання стовпа рідини забезпечують установленням у розрахунковій точці на насосно-компресорних трубах плаваючого розподілювального паккера, що відокремлює відкачуваєму через НКТ рідину від висячого стовпа рідини. 30178 фонтанну арматуру на гирлі свердловини і насосно-компресорні труби, плаваючий розподілювальний паккер на насосно-компресорних трубах і хвильовий паккер-концентратор на кінці насосно-компресорних труб в зоні перфорації колони, відрізняється тим, що хвильовий паккер-концентратор виконано з поперечним перерізом, що збільшується від нуля за експонентою в напрямку руху хвилі від центра до периферії, має довжину, що перевищує довжину фронту хвилі, та розташований в обсадній колоні з зазором, площа перерізу якого не перевищує 5% від площі поперечного перерізу внутрішнього діаметра обсадної колони. 6. Пристрій за п. 5, відрізняється тим, що паккерконцентратор установлено на нижньому кінці насосно-компресорних труб на відстані від нижнього торця труб, що дорівнює внутрішньому діаметру обсадної колони і жорстко прикреплено до насосно-компресорних труб плоскими пластинами, розташованими уздовж радіуса. 7. Пристрій за п. 5, відрізняється тим, що паккерконцентратор забезпечений радіусними пазами з поперечним перерізом, що зменшується за експонентою, від центра до периферії до величини, що дорівнює не більше 1% площі поперечного перерізу обсадної колони по її внутрішньому діаметру. Винахід належить до нафтогазової промисловості і може бути використаний для видобування нафти і газу. Відомий спосіб кульової перфорації обсадної колони і цементного кільця (Довідник з добування нафти. - М.: Державне науково-технічне видавництво нафтової і гірничо-паливної літератури, 1959. – Т. 2. - С. 61). Недоліком способу є недостатньо надійне пробивання стінок обсадної колони, особливо при великій товщині стінок обсадної труби і цементного кільця, а також перетворення у пил перекришеного матеріалу цементного кільця і ущільнення пилу, що знижує проникність в зоні перфорації. Більш близьким технічним вирішенням, обраним в якості прототипу, є спосіб перфорації кумулятивними струминами (С.С. Ітенберг, Т.Д. Дахкильтов. Геофізичні дослідження в свердловинах. М.: Надра, 1982. - С. 303). Спосіб містить утворення високотемпературних газових струмин високого тиску, які створюють на перешкоді тиск до 20 тис. атмосфер. Недоліком способу є оплавлення металлу і породи, що знижує проникність в зоні перфорації. Пристрій, що реалізує відомий спосіб, складається з корпуса, в якому розміщені кумулятивні заряди. Недоліком відомого пристрою є необхідність герметизації кумулятивних зарядів, що досить складно на великих глибинах. Завдання винаходу є створення високих тисків рідини хвильової природи у точках перфорації, діючих тривалий час, достатній для утворення отворів не лише в стінках обсадної колони і цементному кільці, але і в колекторі на задану глибину. Це досягається тим, що забезпечують підвищений стан стовпа рідини у свердловині після відкачування через насосно-компресорні труби підпираючого стовпа рідини, що знаходиться усередині насосно-компресорних труб. Рідина, розташована поміж обсадної колони та ставом насоснокомпресорних труб, зависає, створюючи розтягові напруження, обумовлені власною вагою стовпа рідини у міжтрубному просторі. Глибокий вакуум, що утворився над висячим стовпом рідини у міжтрубному просторі, плавно з'єднують з внутрішньою порожниною насоснокомпресорних труб, забезпечуючи прискорене спадання висячого стовпа рідини без опору повітряної подушки і наступний удар його на великій швидкості із залишившимся в зоні колектора стовпом рі дини, в підсумку чого утворюється наддовга хвиля високого тиску, направляєма і концентруєма в точках перфорації за допомогою хвильового паккераконцентратора. Технічна ефективність від реалізації винаходу полягає в забезпеченні перфорації обсадної колони, цементного кільця і колектора на задану глибину без додаткових технічних засобів, які мають високу вартість і що потребують великих експлуатаційних витрат. Споживча ефективність від реалізації винаходу полягає у підвищенні якості перфорації при зниженні вартості. Поставлене завдання вирішується за рахунок того, що спосіб перфорації обсадної колони, цементного кільця і колектора містить вплив на колону точно направленими струминами високого тиску хвильової природи. Для цього свердловину, обладнану насоснокомпресорними трубами (НКТ), заповнюють робочою рідиною до максимально можливого рівня, наприклад до гирла свердловини, але не нижче динамічного рівня свердловини, після чого герметично перекривають фонтанну арматуру на свердловині, а через насосно-компресорні труби здійснюють відкачування рідини із зони колектора до верхнього рівня колектора чи до рівня рівно важного стану, зумовленого припливом рідини в колекторі та продуктивністю відкачування, після чого рідина, розташована поміж обсадної колони і ставом насосно-компресорних труб, зависає, створюючи розтягові напруження, обумовлені власною вагою стовпа рідини у міжтрубному просторі, а фонтанну арматуру на гирлі насосно-компресорних труб також герметично перекривають, потім глибокий вакуум, що утворився над висячим стовпом рідини у міжтрубному просторі, з'єднують з внутрішньою порожниною насосно-компресорних труб, і ударну хвилю, утворену падаючим стовпом рідини в зоні колектора, за допомогою хвильового паккера-концентратора концентрують уздовж осі по амплітуді тиску до отримання розрахункової величини тиску перфорації. Хвилю направляють по радіусу обсадної колони, роблять дискретною і концентрують по амплітуді уздовж радіуса в заданих точках перфорації обсадної колони, дискретно переміщуючи хвильовий паккер-концентратор в зоні колектора у кожне нове положення, де задані точки для перфорації і на яких, наведений цикл повторюється. 2 30178 Для запобігання неосьових рухів висячого стовпа рідини, які при водять до порушення цілісності стовпа, розрахункову висоту падіння стовпа рідини забезпечують установленням у розрахунковій точці на насосно-компресорних трубах плаваючого розподілювального пакера, що відокремлює відкачуваєму через насосно-компресорні труби, рідину від висячого стовпа. З метою забезпечення тривалості хвилі, достатньої для проходження процесів руйнування обсадної колони і цементного кільця, довжину висячого стовпа рідини обирають із умови: sp a × t tn × b >l= ³ , g 2 2 де: l - довжина висячого стовпа рідини; а – швидкість поздовжньої хвилі у стовпі рідини; t – тривалість хвилі, яка утворилася при ударі висячого стовпа рідини в нерухому рідину в обсадній колоні; tn - час, необхідний для руйнування товщини стінки обсадної колони і товщини стінки цементного кільця при перфорації водяною струминою зі швидкістю частинок у хвилі близько 1 тис. м/с; b - середня швидкість руйнування колони і цементного кільця; sр - границя міцності рідини на розрив (від 100 мПа до 1000 мПа в залежності від виду рідини); g - питома вага технологічної рідини. Для отримання в ударній хвилі величини тиску, достатнього для перфорації обсадної колони, цементного кільця і колектора на задану глибину, приведену висоту падіння стовпа рідини обирають із умови: Паккер-концентратор має довжину, яка перевищує довжину фронту хвилі для відбиття без утрат спадаючої хвилі. З метою зниження утрат енергії за рахунок проходження хвилі повз паккер-концентратор нижче точки його розташування, паккерконцентратор розташований в обсадній колоні з зазором, площа перерізу якого не перевищує 5% від площі поперечного перерізу внутрішнього діаметра обсадної колони. Для забезпечення повороту вектора швидкості хвильового руху рідини з осьового напряму на радіальне, без утрат енергії, паккер-концентратор установлено на нижньому кінці насосно-компресорних труб на відстані від нижнього торця труб, що дорівнює внутрішньому діаметру обсадної колони, і жорстко прикреплено до насосно-компресорних труб плоскими пласти нами, розташованими уздовж радіуса. Для забезпечення концентрації енергії хвилі з метою отримання в точках перфорації локальних надвисоких хвильових тисків, направлених уздовж радіуса, паккер-концентратор забезпечений радіусними пазами з поперечним перерізом, що зменшується за експонентою, від центра до периферії до величини, яка дорівнює не більше 1% площі поперечного перерізу обсадної колони по її внутрішньому діаметру. Даний винахід ілюструється кресленням, де на фігурі схематично наведено пристрій для перфорації обсадної колони і цементного кільця нафтогазових свердловин. Спосіб перфорації обсадної колони і цемент-ного кільця здійснюється таким чином. Свердловину, обладнану насосно-компресорними трубами, заповнюють технологічною рідиною до максимально можливого рівня, наприклад, до гирла свердловини, але не нижче динамічного рівня свердловини, після чого герметично перекривають фонтанну арматуру на обсадній колоні. Через насосно-компресорні труби здійснюють відкачування рідини із зони колектора, впритул до вибою свердловини, чи до рівня рівноважного стану, обумовленого припливом рідини в колекторі та продуктивністю відкачування. Після цього рідина, яка розташована поміж обсадною колоною і ставом насосно-компресорних труб, зависає, створюючи розтягові напруження, обумовлені власною вагою стовпа рідини у міжтрубному просторі. Фонтанну арматуру на гирлі насосно-компресорних труб також герметично перекривають. Потім глибокий вакуум, що утворився над висячим стовпом рідини в міжтрубному просторі, плавно з'єднують з внутрішньою порожниною насоснокомпресорних труб і залишають в такому стані до вирівнювання статичних рівней рідини в затрубному просторі усередині обсадної колони і усередині насосно-компресорних труб. Після з'єднання через насосно-компресорні труби порожнини вакууму над висячим стовпом рідини з порожниною під висячим стовпом рідини, висячий стовп рідини починає прискорюватися в напрямі до вибою свердловини. В момент удару рухомого стовпа рідини з нерухомим, на дні свердловини, швидкість рухомого стовпа рідини досягає до 1 тис. м/с. При ударі виникає хвиля стиснення з амплітудою тиску до 1,0 тис. мПа і довжи ra 2gH K1K 2 ³ 30000 мПа, 2 де: Н - приведена висота спадання висячого стовпа рідини, еквівалентна сумарному тиску стовпа рідини і перепаду тисків, викликаному глибоким розрідженням над стовпом рідини, яке через насосно-компресорні труби з'єднується з простором під стовпом рідини, із якого відкачана рідина, збільшуючи швидкість стовпа рідини перед ударом; r- густина рідини у свердловині; a - швидкість поздовжньої хвилі в рідині; g - прискорення вільного падіння; К1 - коефіцієнт концентрації (кумуляції) хвилі по амплітуді тиску уздовж осі свердловини, К1=10-30; К2 - коефіцієнт концентрації (кумуляції) хвилі по амплітуді тиску по радіусу свердловини, К2=3-7. Пристрій для реалізації способу перфорації обсадної колони і цементного кільця нафтогазових свердловин містить в собі обсаджену свердловину, насосно-компресорні труби усередині свердловини і засоби відкачування рідини через насоснокомпресорні труби (насос, ерліфт), а також фонтанну арматуру на гирлі обсадної колони та насосно-компресорних труб. Пристрій містить також плаваючий розподілювальний паккер на насоснокомпресорних трубах і хвильовий паккер-концентратор на кінці насосно-компресорних труб в зоні перфорації колони. Відповідно до винаходу, з метою концентрації (кумуляції) енергії хвилі в заданих точках перфорації для отримання надвисоких тисків в цих точках, паккер-відбивач виконують з поперечним перерізом, що збільшується від нуля за експонентою, в напрямку руху хвилі від центра до периферії. 3 30178 ною, що вимірюється кілометрами. Поширення цієї хвилі до вибою свердловини через рідинний хвилевод, яким є заповнена рідиною свердловина, відбувається практично без утрат енергії. Але на паккері-концентраторі хвиля стиснення надвисокої тривалості концентрується (кумулюється) спочатку уздовж осі свердловини, а потім повертається відбиттям уздовж радіуса, робиться дискретною і додатково концентрується (кумулюється) до отримання в точках перфорації локального хвильового тиску величиною не менше 30 тис. мПа. Під дією цього тиску відбувається перфорація колони, цементного кільця і колектора на задану глибину в запроектованій кількості точок. Для перфорації наступного ряду отворів паккер-концентратор переміщують на заданий рівень в іншому місці колони шляхом змінювання довжини насосно-компресорних труб. Пристрій, що реалізує спосіб, містить обсадну колону 1, усередині якої опущено став насоснокомпресорних труб 2. Усередині насосно-компресорних труб 2 змонтовані ерліфтні (насосні) труби 3. В зоні колектора 4 на нижньому торцю насосно-компресорних труб 2 змонтовано паккерконцентратор хвиль 5 на плоских, уздовж радіуса, пластинах 6. Над колектором 4 уздовж насосно-компресорних труб 2 переміщується плаваючий розподілювальний паккер 7 і центратор 8 насосно-компресорних труб в обсадній колоні. Став насоснокомпресорних труб 2 забезпечено гирловинною фонтанною арматурою 9. Фонтанною арматурою 10 забезпечена обсадна колона 1. Став ерліфтних труб 3 забезпечений фонтанною арматурою 11. Між виводами на поверхню обсадної колони 1 і насосно-компресорних труб 2 установлена труба 12 з фонтанною арматурою 13. Пристрій працює так. Відкривається фонтанна арматура 10 і міжтрубний простір усередині обсадної колони заповнюється рідиною до гирла свердловини, але не нижче динамічного рівня. Після цього фонтанна арматура 10 закривається і відкривається фонтанна арматура 11 на ерліфтних трубах. В ерліфтні труби 3 надається газ і через насосно-компресорні труби 2 здійснюється відкачування рідини із свердловини. Відкачування здійснюється до відриву рідини на розподілювальному паккері 7. Після цього закривається фонтанна арматура 11 і стовп рідини у міжтрубному просторі обсадної колони зависає, створюючи у верхній частині розрідження, яке дорівнює вазі стовпа рідини. Після цього відкривається найближча до свердловини фонтанна арматура 9, фонтанна арматура 13 і ближча до свердловини фонтанна арматура 10. Вакуум, що утворився над висячим стовпом рідини, після цього передається на вибій свердловини, викликаючи прискорений рух висячого стовпа рідини в напрямку до вибою, де відбувається удар рухомого стовпа рідини з нерухомим. Удар спричиняє в рідині наддовгу хвилю стиснення с тиском до 1 тис. мПа. На паккері-відбивачі відбувається двохступеневе підсилення хвилі по тиску за рахунок концентрації енергії в малих об'ємах та поворот хвилі за радіусом. Енергія хвилі рівномірно розподіляється на паккері-концентраторі по точкам, в яких здійснюється перфорація. Пересування паккера-концентратора на інший ряд перфораційних отворів здійснюється пересуванням уздовж осі свердловини всього става насосно-компресорних труб за рахунок додавання чи вилучання короткомірних кусків насосно-компресорних труб на гирлі свердловини. 4 30178 Фіг. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5