Скважинный перфоратор с внутренней системой ориентации

005840 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к выполнению работ в нефтяных и газовых скважинах. Изобретение относится, в частности, к устройству для ориентации скважинного инструмента в определенном положении внутри искривленной или наклонной скважины. Уровень техники При использовании скважинных инструментов, в частности скважинных перфораторов, в искривленных или наклонных скважинах необходимо, чтобы инструмент находился внутри скважины в определенном радиальном положении. Так, например, правильная ориентация перфоратора в искривленных скважинах позволяет оператору использовать кумулятивные заряды перфоратора в определенном радиальном положении по окружности ствола скважины. Необходимость в этом связана с тем, что у каждой конкретной скважины потенциально продуктивные зоны с нефтью или газом могут быть расположены в любом месте или в любой зоне по окружности ствола скважины. В зависимости от наличия и расположения таких потенциально продуктивных зон, которые находятся рядом с искривленной скважиной, оператор может изменить ориентацию перфоратора для перфорации скважины в том месте, где находится соответствующая продуктивная зона месторождения нефти или газа. Соответствующую информацию, связанную с ориентацией скважинных инструментов, в частности перфораторов, можно найти в патентах US 4410051, US 4438810, US 5040619, US 5211714, US 4637478,US 5603379 и US 5964294. Однако все предложенные в этих патентах решения имеют один или несколько из перечисленных ниже недостатков. При применении для ориентации перфоратора некоторых из описанных в этих патентах устройств перфоратор можно использовать только для направленного вниз перфорирования скважины; другие же описанные в этих патентах устройства создают преграду на пути распространения взрыва некоторых из расположенных на перфораторе кумулятивных зарядов или же крепятся на внешней поверхности перфоратора и затрудняют его перемещение внутри ствола скважины. В патенте US 4410051 (на имя Daniel и др.) предлагается система для ориентации перфоратора,предназначенного для использования в скважинах с большим количеством насосно-компрессорных труб. Предложенное в этом патенте устройство состоит из нескольких соединенных друг с другом сборочных единиц. В одной из таких сборочных единиц находится переходник со смещенным относительно оси центром тяжести и грузом, расположенным асимметрично к продольной оси корпуса. К нижней части переходника со смещенным относительно оси центром тяжести крепится центрирующий соединительный переходник, который предназначен для совмещения нижней части корпуса с выходными отверстиями перфоратора. Предложенное у Daniel и др. в патенте US 4410051 устройство ориентации, которое является частью всей системы перфорирования скважины, в дальнейшей части описания называется переходником со смещенным относительно оси центром тяжести. Использование переходника со смещенным относительно оси центром тяжести, который крепится к перфоратору и предназначен для его поворота в определенное положение внутри искривленного ствола скважины, описано также в патенте US 4438810(на имя Wilkinson) и в патентах US 5040619 и US 5211714 (оба на имя Jordan и др.). В патенте US 4637478 (на имя George) предложен ориентируемый под действием силы тяжести перфоратор для наклонных скважин, содержащий один или несколько сегментов или переходников, в каждом из которых имеется вырезанное в стенке переходника окно, изменяющее симметрию переходника и положение его центра тяжести. Под действием силы тяжести несимметричный переходник всегда поворачивается вокруг собственной оси до тех пор, пока его более тяжелая часть не окажется расположенной ниже его более легкой части. В патенте US 5603379 (на имя Henke и др.) предложено устройство, предназначенное для соединения и ориентации перфораторов в искривленном стволе скважины. Для ориентации перфораторов в этом устройстве используется соединенное с корпусом перфоратора продольное ребро, благодаря наличию которого центр тяжести перфоратора смещается внутри кожуха относительно центральной оси и корпус перфоратора под действием силы тяжести опускается к нижней стенке кожуха. Перфоратор с устройством ориентации, предложенным в патенте US 5603379 (на имя Henke и др.), можно использовать только для направленного вниз перфорирования скважины. В патентах US 4194577 и US 4269278 (на имя Vann) также предложен перфоратор с продольно расположенными на его наружной поверхности ребрами, которые направляют вниз энергию взрыва кумулятивных зарядов перфоратора. В патенте US 5964294 (на имя Edwards и др.) предлагается скважинный инструмент для искривленных скважин, который может поворачиваться вокруг своей оси под действием приложенного к нему крутящего момента. Предлагаемый в этом патенте инструмент имеет балластные камеры, заполненные текучим балластным материалом, создающим гравитационную силу, под действием которой происходит поворот инструмента вокруг его собственной оси. Балластные камеры расположены на внутренней поверхности сборной трубы. Текучий балластный материал представляет собой металл высокой плотности,например вольфрам или отработанный уран. В других вариантах осуществления заявленного в этом патенте изобретения предложен многосекционный скважинный инструмент, каждая часть которого имеет смещенный центр тяжести и может поворачиваться в определенное положение под действием силы тяжести.-1 005840 В основу настоящего изобретения была положена задача разработать систему, которая обеспечивала бы возможность ориентации скважинных перфораторов в искривленных (наклонных) стволах скважин, позволяла бы располагать кумулятивные заряды перфоратора в любой радиальной плоскости, была бы пригодна для ориентации перфораторов при сохранении любой заложенной в его конструкцию схемы групповых взрывов и была бы встроена в перфоратор. Краткое изложение сущности изобретения В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предлагаются система и способ ориентации скважинных инструментов, в частности скважинных перфораторов, в определенном положении внутри искривленного или наклонного ствола скважины. Скважинный инструмент или скважинный перфоратор имеет по существу цилиндрический корпус с внутренним и наружным диаметрами. В корпусе перфоратора расположена труба с внутренним и наружным диаметрами. В трубе расположен по меньшей мере один кумулятивный заряд. К наружной поверхности трубы крепится груз. Груз имеет выполненные в нем отверстия, которые совмещаются с каждым кумулятивным зарядом таким образом, чтобы закрепленный на трубе груз не влиял на характеристики взрыва каждого кумулятивного заряда при его детонации. Длина закрепленного на трубе груза может быть равна длине трубы или меньше длины трубы. В настоящем изобретении предлагается также способ ориентации скважинного перфоратора в искривленном стволе скважины, основанный на использовании груза, который крепится к наружной поверхности трубы перфоратора с одним или несколькими кумулятивными зарядами. На грузе определяют расположенные определенным образом по длине груза радиальные участки, которые в дальнейшем совмещаются с каждым кумулятивным зарядом перфоратора. На каждом из этих радиальных участков в грузе выполняют сквозное отверстие. Груз крепят к наружной поверхности трубы перфоратора таким образом, чтобы оси выполненных в нем отверстий совпадали с осями каждого расположенного в трубе кумулятивного заряда. Трубу устанавливают в корпус перфоратора и перфоратор вместе с трубой опускают в искривленный участок ствола скважины. В результате воздействия на груз, центр тяжести которого не лежит на продольной оси перфоратора, силы земного притяжения корпус перфоратора поворачивается в определенное положение, и закрепленные на трубе кумулятивные заряды оказываются расположенными в рабочем положении взрыва. Предлагаемый в изобретении способ предусматривает получение координат определенных расположенных внутри ствола скважины точек, в которых необходимо выполнить перфорацию. В соответствии с этими координатами груз крепят к трубе перфоратора таким образом, чтобы при повороте корпуса перфоратора под действием приложенной к грузу силы земного притяжения в определенное положение координаты кумулятивных зарядов перфоратора совпали с заданными координатами перфорируемых точек ствола скважины. Краткое описание чертежей На прилагаемых к описанию чертежах показано на фиг. 1 - общий вид трубы перфоратора и создающего неуравновешенность груза внутренней системы ориентации перфоратора и на фиг. 2 - поперечное сечение внутренней системы ориентации перфоратора. Предпочтительные варианты осуществления изобретения Предлагаемая в одном из вариантов осуществления изобретения внутренняя система ориентации скважинного перфоратора показана на фиг. 1. На фиг. 1, в частности, показан общий вид используемой в системе перфорации трубы 20 перфоратора с одним или несколькими расположенными в ней кумулятивными зарядами 30. Показанная на фиг. 1 труба 20 перфоратора с кумулятивными зарядами предназначена для перфорирования подземных скважин и без особых усилий и сложных экспериментов может быть спроектирована любым специалистом, обладающим определенными знаниями в этой области. Хорошо известно, что труба 20 перфоратора по существу представляет собой вытянутую в длину деталь определенной длины и диаметра. В предлагаемом в изобретении перфораторе можно использовать трубу 20 длиной от 4 до 28 футов, хотя изобретение в полном объеме относится и к перфораторам с трубами 20 любой иной длины. В предлагаемом в изобретении перфораторе для изготовления трубы 20 можно использовать трубу любого диаметра, однако, в предпочтительном варианте изобретения предлагается использовать трубу диаметром 2" или 2". Предлагаемая в изобретении система перфорирования скважины содержит трубу 20 перфоратора,расположенную в корпусе 21 перфоратора, длина которого несколько больше длины расположенной в нем трубы 20. Часто при перфорировании скважин отдельные перфораторы соединяют друг с другом в один сборный перфоратор. При длине перфорируемого участка ствола скважины от менее 10 футов до более 10000 футов длина сборного перфоратора может колебаться в очень широких пределах. Поэтому предлагаемый в изобретении перфоратор может состоять из одной трубы 20 и одного корпуса 21 или из множества отдельных труб 20 и корпусов 21. Для соединения отдельных перфораторов в один сборный перфоратор используют не показанный на чертеже вертлюжный (шарнирный или самоориентирующийся) переходник. При этом важно, чтобы при соединении перфораторов корпус 21 каждого перфоратора мог свободно вращаться относительно элементов соединения и других перфораторов, из которых состоит сборный перфоратор.-2 005840 Снаружи к трубе 20 перфоратора крепится груз 40, создающий внецентренную относительно оси трубы 20 нагрузку. Для крепления груза 40 к трубе 20 можно использовать не только соответствующие крепежные элементы 42, такие как заклепки, болты, штифты, петли или винты, но и иные методы крепления, например сварку. Груз 40, как показано на фиг. 2, имеет в поперечном сечении полукруглую форму с отверстиями 41, выполненными в различных местах по его длине. Отверстия 41 в грузе должны совпадать с выполненными в трубе 20 перфоратора отверстиями 31, в которых расположены основания 32 кумулятивных зарядов. Груз 40 можно изготовить из любого материала, однако, для его изготовления предпочтительно использовать механически обрабатываемый материал, имеющий высокую плотность. В предпочтительном варианте осуществления изобретения используют груз, изготовленный из углеродистой стали, отработанного урана, вольфрама, легированной стали, медных сплавов, нержавеющей стали или из свинца. Как показано на чертежах, основание 32 кумулятивного заряда и детонирующий шнур 33 расположены на окружности, диаметр которой больше наружного диаметра трубы 20 перфоратора. С целью скрыть выступающее из трубы наружу основание кумулятивного заряда и детонирующий шнур и эффективнее закрепить груз 40 на трубе 20 перфоратора в грузе напротив каждого отверстия 31, в котором расположено основание кумулятивного заряда и детонирующий шнур, выполнено отверстие 41, благодаря наличию которого груз не препятствует формированию перфорирующей струи, образующейся при взрыве кумулятивного заряда 30. Как показано на фиг. 2, закрепленный на трубе 20 перфоратора груз 40 охватывает определенный участок ее внешней окружности и делает трубу несимметричной. Хорошо известно, что в горизонтально расположенном перфораторе, у которого центр тяжести груза 40 находится строго под центром 22 тяжести трубы, силы тяжести, действующие на груз с разных сторон от центральной плоскости 23 трубы перфоратора, будут равны. При равенстве сил тяжести, действующих на трубу 20 перфоратора симметрично центральной плоскости 23 трубы, труба перфоратора под действием сил земного притяжения не будет вращаться вокруг своей продольной оси. Если же, однако, центр тяжести груза 40 не будет расположен строго под центром 22 тяжести трубы перфоратора, то действующие на трубу по обе стороны от ее центральной плоскости 23 силы тяжести будут разными. Под действием возникающей при этом неуравновешенности закрепленный на трубе груз 40 будет опускаться вниз до тех пор, пока его центр тяжести не окажется расположенным строго под центром 22 тяжести трубы, т.е. до уравновешивания сил тяжести, действующих на груз 40 с разных сторон от центра 22 тяжести трубы. Уравновешивание сил тяжести, действующих на груз с разных сторон от центральной плоскости трубы, происходит "в крайнем нижнем" положении груза 40. Крепление груза 40 к наружной поверхности трубы 20 перфоратора, а не в каком-либо ином месте вдоль радиуса трубы, позволяет максимально увеличить плечо момента сил тяжести, действующего на трубу 20, у которой равнодействующая всех сил тяжести не проходит через центр трубы. Максимальное увеличение плеча момента сил тяжести увеличивает чувствительность трубы 20 перфоратора к воздействию эксцентрично приложенных к ней сил тяжести. Увеличение чувствительности к воздействию эксцентрично приложенных сил тяжести увеличивает скорость поворота трубы 20 перфоратора под действием этих сил. При этом, кроме того, труба 20 перфоратора легче поворачивается в положение, соответствующее крайнему нижнему положению груза 40, и не останавливается в положении, когда центр тяжести груза 40 находится выше своего крайнего нижнего положения. По причинам, рассмотренным ниже,важно, чтобы при детонации кумулятивных зарядов 30 груз 40 находился в крайнем нижнем положении. Во время работы один или несколько собранных друг с другом предлагаемых в изобретении перфораторов опускают в перфорируемую скважину. Опустить перфораторы в скважину можно с помощью обычного тягового каната с соответствующим переходником или вместе с опускаемой в скважину трубой. В тот момент, когда перфоратор окажется в требуемом месте искривленной или наклонной скважины, эксцентрично расположенный на трубе груз 40 под действием приложенных к нему сил тяжести опустится в крайнее нижнее положение. До сборки ствола скважины обслуживающий персонал на основании информации о возможном расположении рядом со стволом скважины продуктивных зон определяет, каким образом у опущенного в скважину перфоратора должны быть расположены кумулятивные заряды 30. Ориентация трубы 20 перфоратора при детонации зависит от того, каким образом во время перфорации скважины должны быть расположены кумулятивные заряды. После определения положения,в котором труба 20 перфоратора должна находиться во время детонации расположенных на ней кумулятивных зарядов, определяется, в каком положении должен быть закреплен на трубе груз 40 для того,чтобы под действием эксцентрично приложенной к трубе 20 перфоратора силы тяжести она вместе с кумулятивными зарядами повернулась в требуемое положение. До крепления груза 40 к трубе 20 в нем сверлят сквозные отверстия 41, необходимые для того, чтобы груз 40 не закрывал отверстий 31, в которых расположены основания 32 кумулятивных зарядов. Опущенный в выбранное для перфорации место скважины перфоратор следует несколько раз поднять и снова опустить вниз, создав тем самым механически несколько приложенных к трубе 20 перфоратора импульсов силы. Такое циклическое воздействие на трубу 20 перфоратора способствует повороту груза 40 в крайнее нижнее положение. Необходимость в циклическом механическом воздействии на-3 005840 перфоратор чаще всего возникает в тех случаях, когда, например, угол отклонения от горизонтали наклонного участка скважины превышает 15-20 или когда между трубой 20 и корпусом 21 перфоратора попадает порода, препятствующая свободному повороту расположенной в корпусе 21 трубы 20. После циклического механического воздействия на перфоратор оператор опускает находящийся внутри ствола скважины перфоратор на необходимую глубину в подлежащее перфорации место скважины. Для ориентации перфоратора, центр тяжести которого не совпадает с центральной осью, можно также использовать асимметричную относительно продольной оси трубу перфоратора полуцилиндрической формы. При асимметричной форме трубы, центр тяжести которой не совпадает с ее центральной осью, расположенный не вертикально перфоратор под действием сил тяжести автоматически поворачивается в определенное положение. Для смещения центра тяжести трубы относительно ее продольной оси можно также на определенном участке трубы 20 выполнить продольные канавки и закрепить в них металлические стержни или прутки. Наличие таких металлических стержней или прутков придает перфоратору определенную асимметрию и обеспечивает возможность его поворота под действием сил тяжести в определенное положение. Для смещения центра тяжести перфоратора относительно его продольной оси канавки с прутками или стержнями должны быть расположены на полусферическом участке трубы 20 перфоратора. Для внутренней ориентации кумулятивных зарядов под действием силы тяжести можно также предложить еще одну конструкцию асимметричного перфоратора, у которого труба 20 расположена не на оси корпуса 21, а смещена ближе к его внутренней стенке. Таким образом, описанный выше перфоратор позволяет решить поставленные в изобретении задачи и добиться не только упомянутых выше, но и других результатов и преимуществ. Рассмотренный выше предпочтительный вариант лишь иллюстрирует изобретение и не исключает возможности внесения в него различных изменений и усовершенствований. К таким изменениям относится, например, изготовление груза 40 из неметаллических материалов. Кроме того, предлагаемый в изобретении перфоратор можно использовать для перфорации не только скважин для добычи углеводородов, но и любых скважин,например водозаборных. Возможность таких и других аналогичных изменений представляется для специалистов в данной области техники совершенно очевидной и предусмотрена основной идеей изобретения в объеме приведенной ниже формулы изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Скважинный перфоратор, содержащий по меньшей мере один по существу цилиндрический корпус с внутренней и наружной поверхностями, имеющий возможность поворота вокруг своей продольной оси, расположенную в корпусе по существу цилиндрическую трубу с внутренней и наружной поверхностями и по меньшей мере с одним расположенным в ней кумулятивным зарядом и по меньшей мере один расположенный на наружной поверхности трубы груз, который смещает центр тяжести перфоратора относительно его продольной оси и имеет сквозные отверстия, совмещенные с кумулятивными зарядами. 2. Скважинный перфоратор по п.1, в котором груз расположен по всей длине трубы перфоратора. 3. Скважинный перфоратор по п.1, в котором груз расположен на участке трубы перфоратора. 4. Скважинный перфоратор по п.1, в котором оси сквозных отверстий, выполненных в грузе, совпадают с осями кумулятивных зарядов и отверстия не оказывают никакого влияния на характеристики кумулятивных зарядов. 5. Скважинный перфоратор по п.1, в котором груз имеет достаточно большую массу и создает такое внецентренное усилие, под действием которого находящийся в поле земного притяжения перфоратор поворачивается вокруг своей продольной оси. 6. Скважинный перфоратор по п.1, в котором груз расположен между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью трубы перфоратора. 7. Скважинный перфоратор, содержащий множество по существу цилиндрических корпусов с внутренней и наружной поверхностями, которые имеют возможность поворота вокруг их продольных осей,по меньшей мере одну расположенную и закрепленную в каждом корпусе по существу цилиндрическую трубу с внутренней и наружной поверхностями и по меньшей мере с одним кумулятивным зарядом и по меньшей мере один расположенный на наружной поверхности трубы груз, который смещает центр тяжести перфоратора относительно его продольной оси и имеет сквозные отверстия, совмещенные с кумулятивными зарядами. 8. Скважинный перфоратор по п.7, в котором груз расположен по всей длине трубы перфоратора. 9. Скважинный перфоратор по п.7, в котором груз расположен на участке трубы перфоратора. 10. Скважинный перфоратор по п.7, в котором оси сквозных отверстий, выполненных в грузе, совпадают с осями кумулятивных зарядов и отверстия не оказывают никакого влияния на характеристики кумулятивных зарядов. 11. Скважинный перфоратор по п.7, в котором груз имеет достаточно большую массу и создает такое внецентренное усилие, под действием которого находящийся в поле земного притяжения перфоратор поворачивается вокруг своей продольной оси.-4 005840 12. Скважинный перфоратор по п.7, в котором его корпуса соединены друг с другом вертлюжными переходниками. 13. Скважинный перфоратор по п.7, в котором каждый груз расположен между внутренней поверхностью каждого корпуса и наружной поверхностью каждой трубы перфоратора. 14. Скважинный инструмент, содержащий вытянутую в длину наружную трубу с наружной и внутренней поверхностями, которая имеет возможность поворота вокруг собственной оси, расположенную и закрепленную внутри наружной трубы вытянутую в длину внутреннюю трубу с внутренней и наружной поверхностями и один или несколько грузов, которые крепятся к наружной поверхности внутренней трубы и создают весовую нагрузку, асимметрично распределенную в поперечном сечении скважинного инструмента. 15. Скважинный инструмент по п.14, в котором грузы расположены на наружной поверхности внутренней трубы определенным, заранее выбранным образом для создания весовой нагрузки, асимметрично распределяемой в поперечном сечении инструмента, под действием которой находящийся в поле земного притяжения инструмент поворачивается и определенным образом радиально ориентируется. 16. Способ расположения перфоратора в определенном положении внутри искривленного ствола скважины, заключающийся в том, что изготавливают полуцилиндрический, создающий внецентренную весовую нагрузку груз, предназначенный для крепления к трубе перфоратора с одним или несколькими кумулятивными зарядами, намечают в радиальном направлении на грузе определенные места, которые при его креплении к трубе должны совпадать с кумулятивными зарядами, выполняют в грузе в определенных до этого местах сквозные отверстия, крепят груз к наружной поверхности трубы таким образом,чтобы оси выполненных в нем отверстий совпадали с осями кумулятивных зарядов, устанавливают трубу в корпус перфоратора и опускают перфоратор вместе с трубой в искривленный участок скважины,дают корпусу перфоратора повернуться под действием сил земного притяжения в определенное положение и остановиться в этом положении и детонируют один или каждый из нескольких кумулятивных зарядов. 17. Способ по п.16, в котором в искривленном стволе скважины выбирают места, в которых предполагается выполнить перфорацию. 18. Способ по п.16, в котором создающий внецентренную весовую нагрузку груз крепят на трубе перфоратора в определенном, заранее выбранном месте с таким расчетом, что при повороте в поле земного притяжения под действием внецентренной весовой нагрузки корпус перфоратора ориентируется таким образом, что кумулятивные заряды оказываются направленными в намеченные для перфорации места скважины. 19. Способ по п.16, в котором труба вместе с создающим внецентренную весовую нагрузку грузом имеет возможность свободного поворота внутри корпуса перфоратора. 20. Способ по п.16, в котором изготавливают груз, длина которого равна длине трубы перфоратора. 21. Способ по п.16, в котором изготавливают груз, длина которого меньше длины трубы перфоратора. 22. Способ по п.16, в котором отверстия в грузе выполняют таким образом, чтобы они не влияли на характеристики каждого кумулятивного заряда. 23. Скважинный перфоратор, содержащий по меньшей мере один по существу цилиндрический корпус с внутренней и наружной поверхностями, который имеет возможность поворота вокруг своей продольной оси, и расположенную в корпусе по существу цилиндрическую трубу с внутренней и наружной поверхностями и по меньшей мере с одним расположенным в ней кумулятивным зарядом, центр тяжести которой не совпадает с продольной осью перфоратора и создает неуравновешенность, под действием которой перфоратор в поле земного притяжения поворачивается вокруг своей продольной оси. 24. Скважинный перфоратор по п.23, в котором труба имеет полуцилиндрическую форму. 25. Скважинный перфоратор по п.23, в котором на наружной поверхности трубы выполнены канавки, в которых расположены вытянутые в длину элементы, плотность которых равна плотности трубы или больше плотности трубы. 26. Скважинный перфоратор по п.23, в котором участок наружной поверхности трубы соприкасается с участком внутренней поверхности корпуса.