КУМУЛЯТИВНЫЙ ЗАРЯД ПЕРФОРАТОРА Российский патент 1996 года по МПК E21B43/116 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для использования при вскрытии преимущественно нефтяных скважин.

В настоящее время в мире в эксплуатации находится целый ряд перфораторов предназначенных для вскрытия обсаженных скважин. Действие кумулятивных перфораторов всех типов основано на способности кумулятивной струи, образуемой при детонировании заряда взрывчатого вещества (ВВ) с облицованной выемкой, пробивать отверстия или каналы в различных преградах.

Общим элементом для всех перфораторов является кумулятивный заряд, в котором используется так называемый кумулятивный эффект, давший название всему семейству перфораторов.

Конструкция заряда кумулятивных перфораторов подчинена требованиям высокого пробивного действия при малых габаритных размерах и массе ВВ. Размеры зарядов ограничены стенками корпуса перфоратора или индивидуальных оболочек и величиной минимально допустимого зазора между перфоратором и стенками обсадной колонны. Масса ВВ должна быть минимальной для того, чтобы уменьшить вредное воздействие взрыва на обсадную колонну.

Оболочка заряда, ограничивающая ВВ, препятствует разлету продуктов детонации, повышает эффективность кумулятивного заряда, увеличивая размеры пробиваемого канала. Для этого желательно, чтобы материал оболочки имел большую плотность и малую сжимаемость.

Облицовку кумулятивной выемки делают из материалов с большой плотностью, обладающих высокой пластичностью при больших скоростях деформации и температуре, чаще всего из меди, стали или сплавов цветных металлов. Толщина облицовки зависит от формы, размеров заряда и выемки, материала облицовки и ВВ и для распространенных перфораторных зарядов находится в пределах 0,6 1,2 мм.

Для достижения высокой эффективности кумулятивного заряда необходимо обеспечить осевую симметрию всех деталей и сборки заряда, отсутствие зазоров между облицовкой и выемкой в шашке ВВ, осесимметричное и полное инициирование.

Обязательным условием образования кумулятивной струи является отсутствие в кумулятивной полости заряда какого-либо плотного (твердого или жидкого) вещества.

Характеристики некоторых перфораторов отечественного производства приведены в справочнике "Прострелочно-взрывная аппаратура"/ Под редакцией Фридляндера, М. Недра, 1990.

В качестве удобно воспроизводимой характеристики пробивной силы кумулятивного заряда (КЗ) приводится глубина пробивания стали. Для того чтобы сравнивать совершенство конструкции перфораторов с различной массой взрывчатого вещества удобно брать, пользуясь законом подобия, глубину пробития стали при массе ВВ 20 г. Приведем эту величину для нескольких перфораторов.

Видно, что разнообразные перфораторы близки по своей потенциальной пробивной способности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является КЗ ЗПКО 73Е, содержащий корпус из стали (или цинка), заряд ВВ и облицовку.

Недостатком прототипа является неполное использование энергии взрывчатки, что приводит к уменьшению глубины пробивания преграды и увеличению вредного воздействия перфоратора на обсадную колонну.

Техническая задача изобретения увеличение глубины канала пробиваемого перфоратором в грунте.

Технический результат изобретения заключается в повышении дебита скважины за счет увеличения глубины канала пробиваемого перфоратором в грунте при том же вредном воздействии перфоратора на колонну, либо уменьшение вредного воздействия на скважину при тех же параметрах пробиваемого канала.

Этот результат достигается за счет того, что в кумулятивном заряде перфоратора, содержащем корпус, взрывчатое вещество с кумулятивной выемкой, образованной конической поверхностью покрытой облицовкой, отношение минимального радиуса конической поверхности облицовки к ее максимальному радиусу составляет 0,35 0,7.

Эффективность применения заряда увеличивается при его выполнении таким образом, что в каждом перпендикулярном к продольной оси конусной кумулятивной выемки сечении заряда, отношение диаметра кумулятивной выемки взрывчатого вещества к наружному диаметру взрывчатого вещества составляет не менее 0,6.

Целесообразно также выполнять заряд таким образом, что конус, образованный кумулятивной выемкой, имеет скругленную вершину, а угол полураствора конуса составляет 14-23^o.

Анализ расчетов показывает, что для увеличения глубины пробивания надо добиваться следующего изменения работы кумулятивного заряда (КЗ):
1. Необходимо увеличивать отбор энергии облицовки от ВВ.

2. Необходимо увеличивать скорость струи в головной ее части.

Для увеличения отбора энергии естественно увеличить объем полости внутри облицовки, так как отбор энергии есть произведение среднего давления на объем. Сделано это, прежде всего, за счет увеличения радиуса закругления конической облицовки в существующих КЗ. Этот радиус выбирается из конструктивных соображений и не является предметом оптимизации. В нашем предложении радиус закругления выбирается достаточно большим и правильный его выбор является фактически одним из основных (если не основным) способом достижения технического результата. Поскольку скругление может быть и не сферическим мы будем говорить не о радиусе скругления, а о минимальном значении внутреннего радиуса конической части облицовки.

В качестве численной характеристики этого радиуса берется его отношение к максимальному значению внутреннего радиуса облицовки, причем для этого отношения интервал значений составляет от 0,35 до 0,7. При выходе за патентуемый диапазон отношений радиусов возникают те или иные трудности. При слишком большом радиусе выбрасывается из области образующей кумулятивную струю слишком большая часть облицовки и ВВ. При слишком малых значениях радиуса закругления облицовки конусная часть облицовки делается слишком длинной и возникают дополнительные трудности при выборе разнотолщинности в процессе оптимизации профиля скоростей.

Для дополнительного увеличения отбора энергии целесообразно также уменьшать толщину ВВ. При этом используется заряд ВВ такой геометрической формы, что в любом перпендикулярном оси сечении проходящем через конусную часть облицовки отношение внутреннего радиуса ВВ к его наружному радиусу составляет не менее 0,6.

Для повышения максимальной скорости струи производится переход к нетрадиционно малым для перфораторов углам. В примере реализации взят угол полураствора конуса облицовки d 17,5^o. Патентируется диапазон углов от 14 до 23^o. При выходе за этот диапазон возникают определенные трудности при малых углах трудно получить необходимое значение минимальной скорости, а при больших углах возникают трудности с получением больших значений скорости в головной части струи.

Для уменьшения скорости струи в хвостовой части применяем соответствующим образом подобранную разнотолщинность.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез предлагаемого кумулятивного заряда.

Кумулятивный заряд содержит облицовку 1, покрывающую взрывчатое вещество (ВВ) 2, которое заключено в корпус 3. Детонация к заряду передается взрывной линией 4. Внутри заряда образована кумулятивная выемка 5. Кумулятивная выемка 5 ограничена конусной поверхностью облицовки 1, образующая которой наклонена к оси О-О под углом, лежащим в пределах 14 23^o. Вершина конуса имеет скругленную форму, например, сферическую. В этом случае центр сферической поверхности с радиусом r лежит на оси О-О. В этом случае минимальный радиус конической поверхности R_min будет расположен в сечении, перпендикулярном оси О-О и проходящем через центр сферической поверхности. Максимальный радиус конической поверхности R_max лежит в сечении, совпадающем с основанием конуса. Согласно изобретению отношение R_min к R_max лежит в пределах 0,35 0,7. В любом сечении, перпендикулярном оси О-О и проходящем через конусную поверхность кумулятивной выемки 5, отношение диаметра ВВ2 к его большему диаметру должно быть не меньше 0,6. В этом случае наиболее рационально используется энергия взрыва ВВ.

Кумулятивный заряд перфоратора работает следующим образом.

Коническая кумулятивная облицовка 1 под действием взрыва заряда ВВ2 схлопывается к оси. Из фокусирующегося на оси материала облицовки формируется остронаправленная кумулятивная струя. Взаимодействие струи с преградой при высокой скорости струи приводит к испарению материала преграды и образованию канала в пробиваемом материале.

Технический эффект заключается в том, что по проведенным расчетам при массе ВВ, равной 20 г, глубина пробивания стали составляет 260 мм, что в 2,0 раза больше, чем у существующих перфораторов.

На самом деле технический эффект еще больше, так как повышение отбора энергии облицовкой означает уменьшение энергии идущей в ударную волну воздействующую на обсадную колонну. Следовательно, либо при фиксированной массе ВВ несколько уменьшается воздействие на обсадную колонну (или корпус если речь идет о корпусном КЗ), либо сохраняя воздействие можно увеличить массу ВВ. ТТТ1

Использование: при вскрытии скважин преимущественно нефтяных. Обеспечивает увеличение глубины канала, пробиваемого перфоратором в грунте. Сущность изобретения: устройство содержит корпус. В корпусе помещено взрывчатое вещество (ВВ) с кумулятивной выемкой. Она образована конической поверхностью и покрыта облицовкой. Отношение минимального радиуса конической поверхности облицовки к ее максимальному радиусу составляет 0,35 - 0,7. Кроме того, в каждом поперечном сечении устройства отношение диаметра кумулятивной выемки ВВ к наружному диаметру последнего составляет не менее 0,6. Кроме того, конус образованный кумулятивной выемкой имеет округленную вершину. Угол полураствора конуса составляет 19 - 23^o. 2 з. п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Кумулятивный заряд перфоратора, содержащий корпус, взрывчатое вещество с кумулятивной выемкой, образованной конической поверхностью и покрытой облицовкой, отличающийся тем, что отношение минимального радиуса конической поверхности облицовки к ее максимальному радиусу составляет 0,35 0,7. 2. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что в каждом перпендикулярном к продольной оси конусной кумулятивной выемки сечении заряда отношение диаметра кумулятивной выемки взрывчатого вещества к наружному диаметру последнего составляет не менее 0,6. 3. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что конус, образованный кумулятивной выемкой, имеет округленную вершину, а угол полураствора конуса составляет 14 23^o.