Способ (варианты) и система для заканчивания скважины с использованием плазменных зарядов

Способ (варианты) и система для заканчивания скважины с использованием плазменных зарядов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

[0001] Изобретение в общем случае относится к плазменным зарядам и их использованию, более конкретно - к использованию плазменных зарядов для перфорации скважин. Перфорирующие устройства часто используются для заканчивания нефтяных скважин и скважин для добычи природного газа. Как правило, данные устройства, имеющие расстановку зарядов, опускаются в обсаженную скважину. Когда устройство находится на необходимой глубине в скважине, заряды поджигаются, что приводит к распространению кумулятивных струй в направлении наружу через боковую сторону устройства, через любую текучую среду, находящуюся между устройством и обсадной колонной скважины, через обсадную колонну скважины и, наконец, в нефтеносную или газоносную горную породу. Отверстия в обсадной колонне скважины, получающиеся в результате, обеспечивают возможность поступления нефти или природного газа в скважину и на поверхность. Остатки устройства должны быть затем извлечены из скважины после поджигания зарядов.

[0002] Традиционные кумулятивные заряды, применяемые для заканчивания скважин, возбуждаются давлением взрывной волны и включают, как правило, взрывчатое вещество и хвостовик. После детонации взрывчатого вещества энергия детонировавшего взрывчатого вещества передается хвостовику посредством взрывных волн, которые приводят к сдавливанию материала хвостовика собразованием струи, имеющей скорость порядка около 5 км/с. Масса обычного кумулятивного заряда, применяющегося в нефтяном промысле, может быть порядка 10 грамм и может иметь полную кинетическую энергию порядка 250 кДж. Производительность кумулятивного заряда, применяющегося в нефтяном промысле, главным образом зависит от скорости струи, которая ограничивается давлением взрывной волны, производимой современными усовершенствованными высокоэнергетическими взрывчатыми веществами, такими как HMX [октоген-октагидро- 1,3,5,7-тетранитро-1,3,5,7-тетразоцин], RDX [циклонит-гексогидро-1,3,5-тринитро-1,3,5-триазин-], PETN (пентаэритритол тетранитрат), [3-нитроокси-2,2-бис(нитрооксиметил)пропил]нитрат и тому подобными. Сложно существенным образом повысить давление взрывной волны , используя самые современные усовершенствованные высокоэнергетические взрывчатые вещества. Кроме того, существует опасность, связанная с производством, хранением и транспортировкой взрывчатых веществ.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Это описание сущности изобретения дано для того, чтобы представить ряд идей, которые далее описаны в подробном описании ниже. Это описание сущности изобретения не имеет целью обозначить основные или существенные характерные особенности заявленного предмета обсуждения, а также оно не предназначено для использования в качестве вспомогательного средства для ограничения объема заявленного предмета обсуждения.

[0004] Раскрыты плазменные заряды, которые могут применяться при перфорации скважин. Плазменные заряды, как правило, содержат металл, который структурирован таким образом, чтобы образовывать плазменную струю после того, как заряды подвергаются воздействию импульса электромагнитного поля.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0005] Варианты воплощения плазменных зарядов и их использование описаны здесь со ссылками на следующие Фигуры. Одни и те же числа используются на Фигурах для обозначения подобных характерных особенностей и компонентов.

[0006] На Фигуре 1 показан один вариант воплощения плазменного заряда, как это предусматривается здесь, в виде открытого конуса из металлической фольги.

[0007] На Фигуре 2 показан другой вариант воплощения плазменного заряда, как это предусматривается здесь, содержащий неметаллический открытый конус и внутренние металлические ребра.

[0008] На Фигуре 3 проиллюстрировано воздействие электромагнитного поля на плазменный заряд и возникновение силы Лоренца, действующей на плазменный заряд, показанный на Фигуре 1 или Фигуре 2.

[0009] На Фигуре 4 проиллюстрирован плазменный заряд, примененный для образования плазменной струи с помощью конденсатора, при этом плазменная струя ударяется в инициирующее взрывчатое вещество и приводит к его детонации.

[0010] На Фигуре 5 показан один вариант воплощения плазменных зарядов, как это предусматривается здесь, примененных в скважинном перфораторе, помещенном в обсадную колонну нефтяной скважины.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0011] Нижеследующее описание касается ряда вариантов воплощения и имеет целью предоставить возможность понимания вариантов воплощения. Описание никоим образом не имеет целью ограничить объем любой из настоящих или последующих относящихся к данному изобретению формул изобретения.

[0012] Если противоположное не указано или не следует из контекста, формы единственного числа могут означать «один или более».

[0013] Термины «около», «приблизительно», «в значительной степени» и «существенным образом» будут понятны специалистам в данной области и будут в некоторой степени изменять свое содержание в зависимости от контекста, в котором они употребляются. Если имеет место употребление термина, которое непонятно специалистам в данной области исходя из контекста, в котором данный термин употребляется, «около» и «приблизительно» будут обозначать для конкретного термина плюс или минус ≤ 10 %, и «в значительной степени» и «существенным образом» будут обозначать для конкретного термина плюс или минус > 10 %.

[0014] Термины «включает» и «включающий» имеют такие же значения, как и термины «содержит» и «содержащий».

[0015] Термины «выше» и «ниже»; «вверх» и «вниз»; «верхний» и «нижний»; «по направлению вверх» и «по направлению вниз» и другие подобные термины, указывающие на относительные положения выше или ниже данной точки или элемента, используются в данном описании для того, чтобы более ясно описать некоторые варианты воплощения. Однако когда они применяются к оборудованию, системам и способам, предназначенным для использования в скважинах, которые являются наклонными или горизонтальными, такие термины могут при необходимости относиться к отношениям слева направо, справа налево или по диагонали.

[0016] Термин «металл», как правило, относится к твердофазному материалу, который является твердым, блестящим, ковким, плавким и вязким, имеющим хорошую электро- и теплопроводность. При использовании здесь металл может соответствовать чистому металлическому элементу или сплаву, содержащему два или более неметаллических элемента.

[0017] Раскрыты плазменные заряды, которые могут быть применены при перфорации скважин. Плазменные заряды, как правило, содержат металл, который структурирован таким образом, чтобы образовывать плазменную струю после того, как заряды подвергаются воздействию импульса электромагнитного поля. Плазменный заряд, как правило, включает усеченный конус, имеющий конец с юбкой, конец с вершиной и металл, проходящий от конца с юбкой к концу с вершиной. В некоторых вариантах воплощения плазменный заряд может быть применен в способах или системах для заканчивания скважины. Способы могут включать, а системы могут быть применены для того, чтобы: (а) ввести плазменный заряд в скважину и (б) приложить электромагнитное поле к плазменному заряду для образования плазменной струи. В некоторых вариантах воплощения скважина содержит обсадную колонну и/или пласт, а плазменная струя перфорирует обсадную колонну и/или пласт.

[0018] В некоторых вариантах воплощения плазменный заряд включает неметаллический усеченный конус и металлические ребра, проходящие от конца с юбкой к концу с вершиной на внутренней поверхности усеченного конуса. В других вариантах воплощения усеченный конус плазменного заряда является целиком металлическим.

[0019] В раскрытых способах и системах электромагнитное поле может быть приложено к плазменному заряду для образования плазменной струи. В некоторых вариантах воплощения электромагнитное поле может быть приложено к плазменному заряду путем приведения в контакт конца с юбкой и анода и приведения в контакт конца с вершиной и катода, например, путем приведения в контакт плазменного заряда с конденсатором. Ток может быть пропущен через плазменный заряд.

[0020] Раскрытые заряды, как правило, включают металлический компонент. В некоторых вариантах воплощения металл имеет плотность, меньшую чем около 10 г/см³. Например, металл может включать алюминий, медь или железо. В других вариантах воплощения металл имеет плотность, большую чем около 10 г/см³. Например, металл может включать вольфрам или тантал.

[0021] Раскрытые заряды могут быть применены для образования плазменной струи, имеющей подходящую скорость для заканчивания скважины (например, посредством перфорации обсадной колонны, пласта или их обоих). Что касается скорости, в некоторых вариантах воплощения плазменная струя имеет скорость по меньшей мере около 50, 100, 150 или 200 км/с. Что касается массы, в некоторых вариантах воплощения плазменная струя имеет массу по меньшей мере около 0,05; 0,1; 0,5; 1 или 2 г.

[0022] Раскрытые заряды могут быть применены для образования плазменной струи, имеющей подходящую длину и диаметр для заканчивания скважины (например, посредством перфорации обсадной колонны, пласта или их обоих). Что касается длины, в некоторых вариантах воплощения плазменная струя имеет длину по меньшей мере около 10, 20 или 40 мм. Что касается диаметра, в некоторых вариантах воплощения плазменная струя имеет диаметр по меньшей мере около 0,5; 1 или 2 мм.

[0023] Раскрытые заряды могут быть далее применены в способах и системах в качестве детонационного устройства, которое необязательно может быть применено для заканчивания скважины (например, посредством перфорации обсадной колонны, пласта или их обоих). Раскрытые способы могут включать, а системы могут быть применены для того, чтобы: (а) ввести плазменный заряд и взрывчатое вещество в скважину; и (б) приложить электромагнитное поле к плазменному заряду для образования плазменной струи, которая вызывает детонацию взрывчатого вещества.

[0024] В некоторых вариантах воплощения описанные плазменные заряды могут быть применены в системе для заканчивания скважины. Раскрытые системы могут включать: (а) перфорирующий инструмент или скважинный перфоратор и (б) плазменный заряд, установленный в перфорирующем инструменте или скважинном перфораторе, причем заряд включает усеченный конус, имеющий конец с юбкой, конец с вершиной и металл, проходящий от конца с юбкой к концу с вершиной так, что после того, как плазменный заряд подвергается воздействию электромагнитного поля, плазменный заряд образует плазменную струю. Необязательно, системы могут далее включать: (в) шнур питания, предназначенный для подведения электрического тока к плазменному заряду для того, чтобы плазменный заряд мог быть подвергнут воздействию электромагнитного поля. Далее, необязательно, системы могут включать: (д) носитель заряда, в котором с помощью шнура питания подводится электрический ток от носителя заряда к плазменному заряду.

[0025] Раскрыты плазменные заряды, которые могут быть применены для образования высокоскоростной плазменной струи, например, имеющей скорость по меньшей мере около 50, 100 или 200 км/с. Плазменная струя может быть образована путем приложения короткого импульса электромагнитного поля к плазменному заряду.

[0026] Раскрытый плазменный заряд, после того как он подвергается воздействию электромагнитного поля, образует плазменную струю, которая конденсируется в материал после охлаждения. По существу, плазменный заряд может быть применен в качестве замены взрывчатым веществам при заканчивании скважины. Кроме того, плазменный заряд может быть применен в качестве невзрывающегося детонатора для отдельных взрывчатых веществ.

[0027] Плазменный заряд, как правило, включает усеченный конус, имеющий конец с юбкой, конец с вершиной и металл, проходящий от конца с юбкой к концу с вершиной. В некоторых вариантах воплощения плазменный заряд включает неметаллический усеченный конус и металлические ребра, проходящие от конца с юбкой к концу с вершиной на внутренней поверхности усеченного конуса. В других вариантах воплощения усеченный конус является целиком металлическим. Металл плазменного заряда может быть металлом с относительно низкой плотностью, имеющим плотность, меньшую чем около 10 г/см³, таким как алюминий, железо и медь, или металлом с относительно высокой плотностью, имеющим плотность, меньшую чем около 10 г/см³, таким как тантал и вольфрам.

[0028] Масса плазменных струй, которые образуются с помощью раскрытых здесь зарядов, является, как правило, большей чем около 0,05; 0,1; 0,5; 1 или 2 грамма (например, около 0,05-2 г), и они имеют значения кинетической энергии и импульса, сравнимые со значениями для кумулятивных зарядов, применяемых в нефтяном промысле. Например, плазменные струи, образуемые зарядами, раскрытыми здесь, могут иметь кинетическую энергию по меньшей мере около 50, 100, 150, 200 или 250 кДж. Кинетическая энергия плазменной струи, образуемой раскрытыми здесь зарядами, будет пропорциональна величине электромагнитного поля, действию которого подвергается заряд с целью образования плазменной струи.

[0029] Раскрытые здесь плазменные заряды, как правило, не включают взрывчатый материал и приводятся в действие посредством электричества. По существу, раскрытые здесь плазменные заряды не являются взрывчатыми или опасными с точки зрения производства, хранения и транспортировки. Кроме того, оборудование, используемое для введения в действие раскрытых здесь плазменных зарядов (например, перфорирующий инструмент или скважинный перфоратор), коренным образом отличается от традиционного оборудования, поскольку оно не приводит к появлению газа под высоким давлением, обломков, деформациям инструментов или раскалыванию инструментов. По существу, оборудование может быть использовано повторно, так что стоимость расходных материалов оборудования для перфорации уменьшается.

[0030] Обращаясь теперь к Фигурам, на Фигурах 1 и 2 показаны заряды, имеющие форму усеченного конуса. На Фигуре 1 заряд 2 включает усеченный (т.е. открытый) металлический конус из тонкой металлической фольги, которая является проводимой 4. Металлический конус имеет конец с юбкой 6 (т. е. более широкий конец) и конец с вершиной 8 (т. е. более узкий конец). На Фигуре 2 заряд 2 включает усеченный неметаллический конус 4, который не является проводящим, и имеет ряд металлических проволок или ребер 10, которые расположены симметрично по оси и проходят от конца с юбкой конуса 6 к концу с вершиной конуса 8.

[0031] Как проиллюстрировано на Фигуре 3, раскрытые плазменные заряды способны производить плазменные струи посредством магнитогидродинамики. Анод 12 приводится в контакт с концом с юбкой конуса из металлической фольги 6 (или концом с юбкой проволок, помещенных на неметаллический конус), и катод 14 приводится в контакт с концом с вершиной конуса из металлической фольги 8 (или концом с вершиной проволок, помещенных на неметаллический конус). Резкий подъем тока I, протекающего через металлическую фольгу или проволоки по направлению от конца с юбкой к концу с вершиной, приводит к нагреванию проводящего компонента заряда, который испытывает абляцию с образованием плазмы в приповерхностной области металлической фольги или проволок 16. Непрерывное действие тока приводит к дальнейшему разогреву плазмы и генерации сильного магнитного поля B, которое вызывает появление силы Лоренца (Force), вычисляемой согласно уравнению F = J × B, где J - плотность тока, и B - индукция магнитного поля. Образованная таким образом сила Лоренца перпендикулярна поверхности фольги/проволоки и увлекает плазму по направлению к центральной оси 18. Импульс плазмы имеет осевую компоненту (vj) и радиальную компоненту (ρj). Столкновение плазмы создает толчок, который приводит к образованию струи плазмы по направлению вперед вдоль оси, подобно тому, как хвостовик увлекается при взрыве взрывчатого вещества, образуя струю, в традиционных зарядах на основе взрывчатых веществ.

[0032] Индукция магнитного поля B является более высокой вблизи катода 14, что приводит к большей вблизи катода величине силы Лоренца (Force). По существу, плазменная струя образуется вначале вблизи катода 14. Далее плазменная струя охлаждается и образует струю сконденсированного вещества по мере того, как струя 20 оттесняется от заряда. В случае заряда в виде конуса из металлической фольги или заряда, имеющего ряд проволок, катод диаметром 1/4 дюйма и анод диаметром 3/4 дюйма для обычных скоростей абляции приводят к образованию струи, для которой разница времен полета между концом с юбкой и концом с вершиной составляет десятки наносекунд. В одном варианте воплощения раскрытых зарядов заряд включает металл вольфрам и образует струю, имеющую длину по меньшей мере около 40 мм, имеющую диаметр по меньшей мере около 2 мм и имеющую скорость по меньшей мере около 200 км/с.

[0033] Обращаясь теперь к Фигуре 4, раскрытые плазменные заряды могут быть применены для детонации взрывчатых веществ. Как показано на Фигуре 4, плазменная струя 20, образованная из заряда посредством приложенного магнитного поля, как показано на Фигуре 3, приходит в соприкосновение с инициирующим взрывчатым материалом 22 и приводит к его детонации.

[0034] Обращаясь теперь к Фигуре 5, множество плазменных зарядов 2 может быть применено в перфорирующем инструменте или скважинном перфораторе 34, который может включать шнур питания 24 и носитель заряда 26 (например, конденсатор). Плазменные струи 20, созданные посредством приложения магнитного поля к зарядам, как показано на Фигуре 3, могут быть применены для создания каналов сообщения между пластовым резервуаром 32 и скважиной 30 через обсадную колонну скважины 28. Глубина туннеля проникновения может быть выбрана для достижения оптимальной производительности скважины.

[0035] В некоторых вариантах воплощения раскрытые плазменные заряды могут быть применены вместо традиционных взрывчатых веществ. Раскрытые плазменные заряды могут быть относительно легкими по весу по сравнению с традиционными зарядами на основе взрывчатых веществ, поскольку раскрытые плазменные заряды не требуют использования контейнера для заряда, который присутствует в случае традиционных зарядов и, как правило, изготавливается из стали. Далее, раскрытые заряды не требуют применения взрывчатых веществ или запальных шнуров, которые присутствуют в традиционных системах перфорирующих инструментов. Также потенциальные деформация или раскалывание, характерные для традиционных систем на основе взрывчатых веществ, в значительной степени исключаются, поскольку в раскрытых системах не образуется газ под высоким давлением.

[0036] Раскрытые плазменные заряды могут быть подвержены воздействию магнитного поля посредством приведения зарядов в контакт непосредственно или опосредованно с одним или более конденсаторов, которые могут быть передвижными. Например, множество конденсаторов может быть погружено на транспортное средство и перевезено к месту расположения скважины. Конденсаторы могут быть заряжены с использованием стандартного генератора, который имеется в наличии в месте расположения скважины. В некоторых вариантах воплощения конденсатор может иметь выбранные размеры таким образом, что множество конденсаторов может быть погружено и перевезено на одном транспортном средстве.

[0037] Из вышеизложенного описания специалисту в данной области будет очевидно, что в изобретении, раскрытом здесь, могут быть сделаны различные замены и модификации без отклонения от объема и сущности изобретения. Изобретение, иллюстративно описанное здесь, может быть соответствующим образом воплощено на практике при отсутствии любого элемента или элементов, ограничения или ограничений, которые здесь не раскрыты конкретно. Термины и выражения, которые были применены, используются в качестве терминов для описания, а не ограничения, и не ставится цель, чтобы при использовании таких терминов и выражений исключались какие-либо эквиваленты показанных или описанных характерных особенностей или их части, но признается, что различные модификации являются возможными в рамках объема изобретения. Таким образом, следует понимать, что, хотя данное изобретение было проиллюстрировано с помощью конкретных вариантов воплощения и характерных особенностей, данных в качестве возможных вариантов, модификация и/или изменение идей, описанных здесь, могут быть воплощены специалистами в данной области и что такие модификации и изменения рассматриваются как попадающие в объем данного изобретения. Прямо выражается намерение автора заявки не привлекать статью 35 Свода законов США, § 112, параграф 6 для любых ограничений любых пунктов формулы изобретения, представленной здесь.

[0038] Здесь приведен ряд ссылок на цитируемую литературу. Цитированные литературные источники включены здесь по ссылке во всей их полноте. В случае когда существует несогласованность между определением термина в описании по сравнению с определением термина в цитированной литературе, термин должен быть интерпретирован на основе определения, данного в описании.

1. Способ заканчивания скважины, содержащий: (а) ввод плазменного заряда в скважину, причем заряд содержит усеченный конус, имеющий конец с юбкой, конец с вершиной и металл, проходящий от конца с юбкой к концу с вершиной; и (б) воздействие электромагнитного поля на плазменный заряд для образования плазменной струи.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плазменный заряд содержит неметаллический усеченный конус и металлические ребра, проходящие от конца с юбкой к концу с вершиной на внутренней поверхности усеченного конуса.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что усеченный конус плазменного заряда является целиком металлическим.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электромагнитное поле, воздействующее на плазменный заряд, образуется в результате приведения в контакт конца с юбкой и анода и приведения в контакт конца с вершиной и катода.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металл имеет плотность, меньшую чем около 10 г/см³.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металл имеет плотность, большую чем около 10 г/см³.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металл содержит алюминий, медь, вольфрам или тантал.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плазменная струя имеет скорость по меньшей мере около 100 км/с.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плазменная струя имеет массу по меньшей мере около 0,05 г.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скважина содержит обсадную колонну и плазменная струя перфорирует обсадную колонну.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скважина содержит пласт и плазменная струя перфорирует пласт.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электромагнитное поле, воздействующее на плазменный заряд, образуется путем приведения в контакт плазменного заряда и конденсатора.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ввод взрывчатого вещества в скважину, в которой образованный плазменный заряд приводит к детонации взрывчатого вещества.

14. Способ заканчивания скважины, причем способ содержит: (а) ввод плазменного заряда в скважину, причем заряд содержит усеченный конус, имеющий конец с юбкой, конец с вершиной и металл вольфрам, проходящий от конца с юбкой к концу с вершиной; и (б) воздействие электромагнитного поля на плазменный заряд для образования струи вольфрама.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что плазменная струя имеет скорость по меньшей мере около 200 км/с.

16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что плазменная струя имеет длину по меньшей мере около 40 мм.

17. Способ по п. 14, отличающийся тем, что плазменная струя имеет диаметр по меньшей мере около 2 мм.

18. Система для заканчивания скважины, причем система содержит: (а) перфорирующий инструмент и (б) один или более плазменных зарядов, установленных в перфорирующем инструменте, причем заряд содержит усеченный конус, имеющий конец с юбкой, конец с вершиной и металл, проходящий от конца с юбкой к концу с вершиной, при этом после того как плазменный заряд подвергается воздействию электромагнитного поля, плазменный заряд образует плазменную струю.

19. Система по п. 18, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит: (в) один или более шнуров питания, предназначенных для подведения электрического тока к плазменному заряду для того, чтобы плазменный заряд мог быть подвергнут воздействию электромагнитного поля; и (д) один или более носителей заряда, при этом один или более шнуров питания подводят электрический ток от одного или более носителей зарядов к одному или более плазменных зарядов.