RU26325U1 - Герметичный кумулятивный заряд бескорпусного перфоратора - Google Patents

Description

2002108445

шпншяшшшш

г а о г 1 о « } s. 5

Герметичный кумулятивный заряд бескорпусного перфоратора

Полезная модель относится к области бурения, в частности, к конструкциям перфораторов и взрывных зарядов для пробития обсадных труб в нефтяных и газовых буровых скважинах.

Для перфорации обсадной колонны, цементного кольца, удерживающего трубы в горной породе, и породы за кольцом, в буровую скважину опускают специальное устройство - перфоратор, основными элементами которого являются кумулятивные заряды. Пробитые с их помощью отверстия обеспечивают гидродинамическую связь продуктивного пласта месторождения и буровой сквалсины. В зависимости от геологических условий и стадии обустройства буровой скважины применяют перфораторы различных конструкций. Для уменьщения поперечного сечения, а иногда также и стоимости, некоторые перфораторы не имеют герметического корпуса и носят название бескорпусных. Такие перфораторы представляют собой гирлянду герметичных кумулятивных зарядов, закрепленных на ленте. (Л.Я. Фридляндер, Прострелочновзрывная аппаратзфа и ее применение в буровых скважинах, М., Педра, 1985, стр. 24-36).

Как правило, заряд включает оболочку (корпус), внутри которого размещены кумулятивная воронка, пггампованная из металла или прессованная из смеси поропжов, и взрывчатое вещество (ВВ), а герметичные заряды, кроме того, имеют уплотнение и крыщку. У больщинства зарядов оболочка выполнена из углеродистой стали. Крепкая стальная оболочка в момент взрыва препятствует преждевременному разбрасыванию ВВ, еще не успевщего сработать (сдетонировать). Это обеспечивает относительно полное срабатывание ВВ и надлежащую эффективность действия кумулятивного заряда. Однако, при использовании данной конструкции, после взрыва стальные детали заряда распадаются на довольно больщие крепкие осколки. Поэтому, чтобы исключить закупорку буровой скваишны значительным количеством крупных осколков при взрыве гирлянды зарядов, их применяют только в корпусных перфораторах, где эти осколки улавливаются корпусом перфоратора и извлекаются из буровой скважины.

Известна конструкция герметичного кумулятивного заряда к бескорпусным перфораторам, включающая оболочку, внутри которой размещены кумулятивная воронка и ВВ, а также герметизирующую крыщку. При этом, оболочка, как и крышка, выполненная из хрупкого неметаллического материала, например, стекла или ситала (Прострелочно-взрывная аппаратура. СпраМПК7 Е 21 В 43/117

вочник. Под редакцией Л.Я. Фриддяндера, М., Недра, 1990, стр. 75). Эти заряды и сегодня выпускаются в России и используются нефтяпиками стран СНГ. В указанной конструкции детали заряда разрушаются при взрыве на мелкие осколки, которые практически не засоряют буровую скважину, а, в случае необходимости, поддаЕотся разбуриванию. Однако стекло, которое хорошо работает на сжатие, недостаточно прочно, при растяжении, и в момент взрыва слабо препятствует разбрасыванию ВВ, не обеспечивая надлежащую эффективность кумулятивного заряда.

Для перфорации обустроенных буровых скважин используют перфораторы, которые спускаются через насосно-компрессорные трубы (НКТ). Нри этом существуют особенно высокие требования к перфораторам и зарядам. Они должны быть весьма малых размеров, сохраняя при этом достаточно высокую пробивную способность. Самые малогабаршные заряды предназначены для спуска в буровую скважину сквозь наименьшие из применяемых НКТ диаметром два дюйма. Известная конструкция заряда типа ЗНРК42, выпускаемого для этих целей в России (Прострелочно-взрывная аппаратура. Справочник, Нод редакцией Л.Я. Фридляндера, М., Недра, 1990, стр. 77 -79). Различные элементы конструкции перфоратора запатентованы (Авторское свидетельство СССР №1810504 Ю1. Е 21 В 43/117,1993 и Авторское свидетельство СССР №1272785 кл. Е 21 В 43/117, 1991.). Заряд имеет оболочку, сложной формы в которой размещено ВВ и кумулятивная воронка штампованная из медного листа. Снаряженная оболочка заряда с уплоткиющей резиновой прокладкой герметично крепится к ленте (сегментному профилю) с помощью винтов.

В конструкции заряда имеются недостатки, существенно ограничиваюпще его применение. Так для исюпочения закупорки буровой скважины большими осколками при взрыве гирлянды зарядов, оболочка изготовлена из алюминиевого сплава, при этом недостаточная прочность оболочки ведет к неполному использованию ВВ и уменьшению размеров пробиваемого отверстия. Медная штампованная кумулятивная воронка после охлаждения кумулетивной струи образует металлическую пробку (пест), который частично закрывает пробрюаемое отверстие.

Целью создания полезной модели является увеличение длины и других характеристик отверстия, пробиваемого при взрыве заряда, за счет повышения эффективности использование ВВ, и исключение закупорки буровой скважины большими осколками оболочки заряда. Кроме того, для зарядов к перфораторам, которые спускаются через НКТ диаметром два дюйма, целесообразно обеспечить отсутствие песта и такое высокое качество фокусирования кумулятивной плазмы, чтобы крышка заряда оставалась целой после отстрела и вместе с лентой извлекалась из буровой скважины. Носледнее также будет существенно уменьшать вероятность закупорки буровой скважины.

Эта цель достигается тем, что в герметичном кумулятивном заряде бескорнусного перфоратора ддя буровых скважин, включающем оболочку, внутри которой размещены кумулятивная воронка и ВВ, а также крышку и уплотняющую прокладку, согласно предлагаемой полезной модели, оболочка, выполнена из стали, склонной к разрушению на мелкие осколки при нагрузках взрывом, и имеет поверхности боковой стенки в форме круглого прямого цилиндра (И.Н. Бронштейн и К.А. Семендяев, Справочник по математике. Наука, М.,1958, стр. 175) или близкую к ней. Причем, допуск на отклонение поверхности стенок от этой цилиндрической формы, не должен превышать размера одной максимальной толщины стенки оболочки на каждые пятнадцать миллиметры длины в направлении оси симметрии оболочки.

Заряд к перфораторам для спуска в буровую скважину сквозь ЬЖТ диаметром два дюйма, кроме элементов полезной модели, описанной выше, отличается и тем, что его кумулятивная воронка выполнена из смеси порошков и поверхности ее боковых стенок (не учитывая сферическую или другую форму поверхности верхушки, и если есть, цилиндрический поясок при основании) размещаются между двумя поверхностями круглого прямого конуса (И.Н. Бронштейн и К.А. Семендяев, Справочник по математике. Наука, М.,1958, стр. 176) с углами при вершинах 61 и 85°, расположенными одна внутри другой так, что их вершины совпадают с вершинами боковых поверхностей кумулятивной воронки. Внешняя боковая поверхность крышки, соприкасающаяся с поверхностью каркаса перфоратора, имеет форму, размещающуюся между двумя круглыми прямыми коническими поверхностями с углами при вершинах 88 и 118° расположенными одна в середине другой так, что их вершины совпадают с вершиной внешней боковой поверхности крышки.

Отличие предлагаемой полезной модели от прототипа состоит, прежде всего в том, что оболочка сделана из стали склонной к разрушению на мелкие осколки при динамическом растяжении взрывом и имеет цилиндрическую, или близкую к ней форму. Для перфораторов, предназначенных к спуску у буровой скважины сквозь НКТ диаметром два дюйма, кроме элементов полезной модели, описанной выше, отличия распространяются на материал и форму кумулятивной воронки и форму крышки.

Технология получения сталей, склонных к разрушению, марок ПМ11 и ИМ 12, разработана с участием авторов (Заготовка трубная, прутки горячекатанные, кованные, горячепрессованные из сталей с повышенной и высокой осколочностью, ТУ 14 - IV - 1940 - 94, 1994). Для обеспечения высокой осколочности сталь легируете элементами, которые дают большое количество неметаллических включений (дефектов кристаллической структуры). В

процессе горячей обработки этой стали с целью получения круглой заготовки, добиваются удлиненной формы дефектов и их строчного расположения в направлении оси заготовки.

Для того, чтобы при производстве оболочки дефекты расположились вдоль поверхностей в ее боковой стенке, в предлагаемой полезной модели оболочка имеет цилиндрическую (круглый прямой цилиндр), или близкую к ней форму. Только при этом строчки дефектов располагаются вдоль стенки оболочки, которая оказывается заранее размеченной концентраторами напряжений, и ударной нагрузкой разрушается по этому шаблону, заложенному в структуре металла. С отклонением формы наружной и внутренней поверхностей стенки от цилиндрической, части дефектов обрезаются по границам стенок оболочки, длина дефектов сокращается и эффективность действия их, как концентраторов напряжения, уменьшается. Практически, суш:ествуюш;ие характеристики неметаллических включений, ограничивают отклонение формы поверхностей стенки от цилиндрической допуском, равняющимся размеру одной максимальной толщины стенки оболочки на каждые пятнадцать миллиметры длины в направлении оси симметрии оболочки.

Применяемые ПКТ самых малых размеров (двухдюймовые) имеют внутренний диаметр 50мм. Гирлянда зарядов (перфоратор), спускаемый в буровую скважину сквозь эти ПКТ, заполненные жидкостью, как поршень в цилиндре, испытывает значительное сопротивление движению. Чтобы уменьшить это сопротивление и обеспечить спуск перфоратора под действием своего веса с достаточной скоростью у нефтяников принято ограничивать его максимальное поперечное сечение кругом диаметром близким к 42 мм. Кумулятивный заряд вместе с лентой перфоратора, вписанный в этот круг, имеющий цилиндрическую оболочку (для хорошей осколочности), приобретает определенную геометрию своих остальных деталей. Оболочка получает диаметр больший, чем высоту. Фокусирование заряда с такой необыкновенной геометрией имеет сложности. Компьютерное моделирование и многочисленные натурные эксперименты позволили установить указанную выше оптимальную геометрию элементов заряда.

Как известно (Л.Я. Фридляндер, Прострелочно-взрывная аппаратура и ее применение в буровых скважинах, М., Педра, 1985, стр. 86), кумулятивная воронка из смеси порошков любого состава обеспечивает отсутствие песта. Выбранная форма кумулятивной воронки реализует нужное фокусирование плазмы. При отклонении от этой формы в сторону увеличения угла конуса, заряд не может быть сфокусирован под крышкой любой формы, вписывающейся в круг диаметром 42 мм, при уменьщении угла у верщины конуса - пробивная способность заряда резко падает. Геометрия крышки исключает ее разрушение кумулятивной струей.

Техническим результатом использоваиия предложенной конструкции заряда является повышение эффективности использование ВВ, обеспечивающее увеличение длины отверстия, пробиваемого при взрыва заряда, так как оболочка из стали довольно крепкая и в момент взрыва препятствует преждевременному разбрасыванию ВВ. Кроме того, цилиндрическая оболочка, изготовленная из стали, склонной к разрушению при ударных нагрузках за счет наличия в ней, длинных строчных неметаллических включений, являющихся концентраторами напрялсений и делающих сталь хрупкой при ударной нагрузке (взрыве заряда), приводит к разрушению оболочки на больщое количество мелких осколков. Последние, из-за их малого размера, не засоряют буровую скважину. Кроме этого, в заряде к перфораторам для спуска в буровую скважину сквозь НКТ диаметром Два дюйма кумулятивная воронка, сделанная из смеси порошков, не образует песта, оставляя пробитые каналы чистыми. Геометрия кумулятивной воронки и крышки реализует такое фокусирование заряда, что его крышка остается целой после отстрела заряда и извлекается из буровой скважины вместе с лентой перфоратора, что сушественно уменьшает вероятность закупорки последней.

На фиг. изображена предложенная конструкция герметического кумулятивного заряда бескорпусного перфоратора.

Заряд сконструирован в виде отдельного герметичного модуля. Он включает оболочку 1, внутри которой размешены кумулятивная воронка 2 и взрывное вешество 3, а также крышку 4 и уплотняющую прокладку 5. Крепкая металлическая оболочка имеет цилиндрическую форму и выполнена из стали, склонной к разрушению на мелкие осколки при динамическом растяжении взрывом. Эти мелкие осколки, после срабатывания гирлянды зарядов, оседают в жидкости, заполняющей буровую скважину на ее дно. Сечение скважины в зоне продуктивного горизонта остается чистым. Кумулятивная воронка 2 сделана из смеси порощков, что обеспечивает отсутствие песта в пробиваемых отверстиях.

Для осуществления заряда по этой полезной модели на токарных станках из заготовки из стали, склонной к разрущению на мелкие осколки при ударных нагрузках, изготовляются оболочки 1, имеющая цилиндрическую форму поверхностей боковой стенки, а из заготовки углеродной стали, например, марки Сталь 45, также резанием на станке, получаются крыпши 4, имеющие коническую форму боковой стенки с углом конуса при верпшне 108°. Кумулятивная воронка 2 получена прессованием из смеси поропжов. Смесь пороппсов, которая применялась, состояла по весу из 78% меди, 20% свршца и 2% графита. Геометрия кумулятивной воронки обеспечивалась в процессе прессования формообразующими деталями прессинструмента. Поверхности ее боковой стенки получали коническую форму с углом конуса при верхупже 70°. При сборке заряда в оболочку 1 помещают ВВ 3, в которое запрессовывают кумулятивную воронку 2. Па посадочное место оболочки надевают уплотняющую

прокладку 5, a дальше крышку 4. Край боковой стенки крышки закатывают в паз на поверхности оболочки.

После опускания перфоратора, снаряженного этими зарядами в буровую скважину на глубину от взрывного патрона с помощью детонирующего шнура, инициируют взрыв в каждом заряде. Взрывное вещество 3 вместе с кумулятивной воронкой 2 образует направленную кумулятивную струю, которая приводит к образованию отверстия в обсадной колонне, цементном кольце и горной породе. При определенном давлении газов, получивщемся при взрыве, оболочка заряда, благодаря стали с высокой осколочностью и цилиндрической форме, разрушается с образованием мелких осколков. Кумулятивная воронка 2, изготовленная из смеси порошков, обеспечивает отсутствие песта. Благодаря выбранной геометрии кумулятивной воронки и крышки достигается высокое качество фокусирования кумулятивной струи, которая пробивает отверстие в центре крышки заряда, оставляя ее в остальном целой. После отстрела крышка вместе с лентой извлекается из буровой скважины.

Разносторонние опробования в стендовых и производственных условиях зарядов, изготовленных по этой полезной модели, подтвердили все ожидаемые результаты и высокие эксплуатационные качества.

Авторы:

Р.П. Морозов

О.П. Кудрявцева

Ю.С. Морозов 05-0e.2,Dp.

Claims (3)

1. Герметичный кумулятивный заряд бескорпусного перфоратора для буровых скважин, включающий оболочку, внутри которой размещены кумулятивная воронка и взрывчатое вещество, а также крышку и уплотняющую прокладку, отличающийся тем, что оболочка выполнена из стали, склонной к разрушению на мелкие осколки при нагрузках взрывом, и имеет поверхности боковой стенки в форме круглого прямого цилиндра или близкой к ней, с отклонением от цилиндрической, не превышающей размера одной максимальной толщины стенки оболочки на каждые пятнадцать миллиметров длины в направлении оси симметрии оболочки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его кумулятивная воронка выполнена из смеси порошков, и поверхности боковых стенок кумулятивной воронки размещаются между двумя поверхностями круглого прямого конуса с углами при вершинах 61 и 85^o, расположенными одна внутри другой так, что их вершины совпадают с вершинами боковых поверхностей кумулятивной воронки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешняя боковая поверхность его крышки имеет форму, размещающуюся между двумя круглыми прямыми коническими поверхностями с углами при вершинах 88 и 118^o, расположенными одна внутри другой так, что их вершины совпадают с вершиной внешней боковой поверхности крышки.