КУМУЛЯТИВНЫЙ ПЕРФОРАТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК E21B43/117 

Изобретение относится к прострелочно-взрывной аппаратуре, применяемой в горном деле для вскрытия продуктивных пластов в обсаженных скважинах путем пробивания сетки каналов перфорации в обсадных трубах, затрубном цементном кольце и прилегающей горной породе пласта, а также для простреливания сквозных каналов в трубах с целью оперативного восстановления потерянной циркуляции промывочной жидкости при бурении и эксплуатации скважин.

Известны применяемые для этих целей при высоких гидростатических давлениях кумулятивные перфораторы опорной конструкции, включающие деформируемый под действием внешнего гидростатического давления тонкостенный трубчатый кожух и прочную стальную опору, выполненную в виде толстостенной трубы со сквозными поперечными отверстиями, в которых размещены кумулятивные заряды.

Недостатком известного устройства является недостаточная баростойкость (100-120 МПа) из-за того, что сплошность наружной поверхности опоры нарушена наличием упомянутых отверстий: под действием достаточно высокого гидростатического давления кожух получает пластический прогиб напротив сквозных отверстий опоры, что приводит к разрушению кумулятивных зарядов. Кроме того, эти перфораторы весьма металлоемки и дороги, так как для их изготовления необходимы дефицитные высокопрочные стальные трубы повышенной точности.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому решению является кумулятивный перфоратор, включающий кумулятивные заряды в толстостенных замкнутых осесимметричных оболочках, выполненных с утонченными участками, и детонирующий шнур, размещенный на контакте с утонченными участками.

Недостатком этого устройства является его недостаточно высокая пробивная способность и большая возможность разрушения элементов конструкции скважины с применением устройства.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение пробивной способности перфоратора и уменьшение вредного воздействия взрыва на элементы крепления ствола скважины без снижения баростойкости перфоратора.

Кроме того, задачей изобретения является снижение металлоемкости конструкции, а также в уменьшении трудоемкости и стоимости изготовления перфоратора.

Необходимый технический результат достигается тем, что кумулятивный перфоратор, включающий кумулятивные заряды в толстостенных замкнутых осесимметрических оболочках, выполненных с уточненными участками и детонирующий шнур, снабжен тонкостенным трубчатым кожухом с двумя концевыми заглушками и внутренней цилиндрической опорой, взаимодействующей с трубчатым кожухом и осесимметричными оболочками, при этом внутренняя цилиндрическая опора выполнена из пористого материала с динамической жесткостью, кратно меньшей динамической жесткости материала осесимметричных оболочек и прочностью на всесторонне объемное сжатие не менее гидростатического давления в скважине.

Кроме того:
внутренняя цилиндрическая опора выполнена из способной к формованию композиции на основе кварцевого песка из связующей добавкой и содержит предельные разъемы в плоскостях размещения детонирующего шнура и осей осесимметричных оболочек;
внутренняя цилиндрическая опора выполнена сплошной из уплотненного кварцевого песка;
утонченный участок осесимметричной оболочки выполнен в виде отдельной примыкающей к ней мембраны.

Необходимый технический результат в части способа достигается тем, что по способу изготовления кумулятивного перфоратора, включающем установку зарядов и детонирующего шнура, устанавливают в тонкостенный трубчатый кожух с нижней концевой заглушкой, затем формируют внутреннюю цилиндрическую опору из кварцевого песка, для чего в полость тонкостенного трубчатого кожуха, находящегося в вертикальном положении, попеременно засыпают кварцевый песок и уплотняют его посредством вибраций до уровня второй концевой заглушки, после чего с упором в кварцевый песок устанавливают вторую концевую заглушку.

Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1 и фиг. 2) и схемой (фиг. 3).

На фиг. 1 изображен первый вариант исполнения устройства. Тонкостенный алюминиевый трубчатый кожух 1 загерметизирован по концам двумя концевыми заглушками головкой 2 и наконечником 3 с уплотнительными резиновыми кольцами 4. Вся внутренняя полость кожуха заполнена составной опорой, представляющей собой гирлянду соприкасающихся торцами цилиндрических секций. Каждая секция состоит из двух полуцилиндров 5, снабженных встречными выемками 6 (см. изометрическую проекцию полуцилиндра), в которых размещена стальная замкнутая осесимметричная оболочка (корпус 7 с крышкой 8) и средство передачи детонации в виде детонирующего удлиненного заряда 9 (далее ДУЗ). Последний может быть выполнен сплошным на всю длину перфоратора или в виде цепочки коротких (на длину одной секции) отрезков, стыкуемых при сборке гирлянды секций, как это показано на фиг. 1. Такая конструкция позволяет осуществить предварительную сборку секций с зарядами и отрезками ДУЗ в виде отдельных модулей, что способствует контролю качества перфоратора, а также позволяет легко осуществить любую заданную фазировку ориентаций зарядов (на фиг. 1 изображена фазировка на 180 градусов как одна из возможных).

Кумулятивные заряды 10 с облицовками 11 запрессованы в корпусе 7 и, вместе с необходимыми для формирования кумулятивных струй свободными зонами 12, размещены в полостях, охватываемых упомянутыми замкнутыми оболочками. Оболочка (корпус 7) имеет участок с утонченной перемычкой 13 напротив ДУЗ 9; по другую сторону перемычки находится промежуточный детонатор 14, служащий для возбуждения кумулятивного заряда 10.

В качестве материала для полуцилиндров 5 использован композит на основе кварцевого песка с небольшой (несколько процентов) добавкой связующего компонента, например, в виде раствора силиката натрия ("жидкого стекла"), органического полимера с отвердителем и др. Полуцилиндры могут быть изготовлены по принятой в литейном деле технологии формовки опок с последующим отверждением путем сушки, обжига, полимеризации и т.п. Пористость изготовленных таким методом частей опоры может составлять 15-20 динамическая жесткость 10-15 от динамической жесткости материала оболочек (сталь), а прочность на всестороннее объемное сжатие 180-200 МПа.

Перфоратор снабжен взрывателем 15. Спуск перфоратора в скважину может производиться на кабеле 16, присоединяемом к головке 2 перфоратора с помощью кабельного наконечника 17.

На фиг. 2 изображен второй вариант исполнения устройства. Здесь, в отличие от первого варианта исполнения (фиг. 1), в кожухе 1 размещена сплошная (несоставная) опора 18, выполненная из уплотненного кварцевого песка. В опору встроен каркас 19, в котором закреплены оболочки с зарядами и ДУЗ. В остальном второй вариант исполнения не отличается от первого, а номера позиций те же, что у соответствующих деталей на фиг. 1.

Кроме того, на фиг. 2 показана (см. увеличенный фрагмент) возможность выполнения утонченной перемычки оболочки (корпус 7) в виде отдельной состыкованной с ней мембраны 13 однородной толщины. Мембрана может быть изготовлена, например, штамповкой из пружинной стальной ленты.

Такое исполнение облегчает и удешевляет изготовление оболочки с необходимыми жесткими допусками по толщине перемычки, которые обусловлены противоречивыми требованиями к прочности оболочки, с одной стороны, и к надежности передачи детонации от ДУЗ 9 к промежуточному детонатору 14 через перемычку, с другой стороны.

На фиг. 3 дана схема, иллюстрирующая способ изготовления кумулятивного перфоратора с применением вибрационной установки. Номера позиций изображенных на схеме деталей перфоратора те же, что у соответствующих деталей на фиг. 2.

После установки в кожух 1 первой заглушки (головка 2) и каркаса 19, в котором закреплены оболочки (корпус 7 и крышка 8) с зарядами 10 и средство передачи детонации (ДУЗ) 9, перфоратор жестко закрепляют в вертикальном положении с помощью зажима 20 на колеблющейся платформе 21 вибрационной машины и формируют песчаную опору 18. Для этой цели в свободную полость кожуха 1 через его незаглушенный конец попеременно засыпают песок (например, с помощью изображенного на схеме питателя 22) и уплотняют его посредством вибрации. Вибрация, переводя песок в псевдожидкое состояние, способствует достижению достаточно равномерного заполнения полости кожуха 1 в промежутках между оболочками с зарядами 10. Эту процедуру выполняют до тех пор, пока уровень песка в кожухе 1 не достигнет высоты, обеспечивающей упирание в песок второй заглушки (см. наконечник 3 на фиг. 2), после чего устанавливают последнюю.

Перед использованием перфоратора по назначению полезно произвести предварительную его опрессовку при максимальном рабочем гидростатическом давлении с целью стабилизации длины перфоратора. В противном случае длина перфоратора после спуска в скважину может заметно уменьшиться за счет повышения плотности упаковки зерен песчаной опоры (как показали эксперименты, такое сокращение длины может составить около 5% при давлении 200 МПа).

По мере спуска перфоратора в скважину тонкостенный кожух 1, легко деформируясь под действием нарастающего гидростатического давления, будет передавать практически всю гидростатическую нагрузку полуцилиндрам 5 составной опоры (см. фиг. 1) или сплошной песчаной опоре 18 (см. фиг. 2). Поскольку стенки полостей опоры упираются в замкнутые прочные стальные оболочки (корпус 7 с перемычкой или с отдельной мембраной 13 и крышка 8), то материал опоры будет претерпевать только всестороннее объемное сжатие (без касательных напряжений), причем максимальное напряжение этого сжатия по величине будет несколько меньше, чем максимальное гидростатическое давление в скважине. На противостояние напряжению именно такого характера и рассчитан материал опоры (с сохранением целостности его зернисто-пористой структуры).

Замкнутые прочные стальные оболочки, сопротивляясь давлению со стороны пористой опоры, защищают от разрушения заряды 10 с облицовками 11 и промежуточные детонаторы 14, а также ограничивают необходимые для формирования кумулятивных струй свободные зоны 12.

После спуска перфоратора в интервал перфорации с помощью взрывателя 15 подрывается ДУЗ 9, которые передает детонацию кумулятивным зарядам 10 через утонченную перемычку 13 корпуса 7 (или через отдельную мембрану 13) при посредстве промежуточного детонатора 14. При взрыве заряда происходит схлопывание облицовки 11 в свободной полости 12, сопровождающееся образованием высокоскоростной кумулятивной струи. Благоприятное сочетание динамических жесткостей материалов оболочки (корпус 7) и опоры способствуют (см. выше) улучшению симметрии процесса схлопывания облицовки 11 и обусловленного им процесса формирования кумулятивной струи, предотвращая искажения, связанные с отсутствием симметрии свободной поверхности кожуха 1 относительно оси заряда. Кумулятивные струи, пробив крышку 8 и тонкостенный кожух 1, образуют в стенке скважины сетку каналов перфорации.

Образующиеся при взрыве зарядов ударные волны эффективно гасятся при движении в пористом материале опоры, снижая вредное воздействие взрыва на элементы крепления ствола скважины-обсадную колонну и цементное кольцо.

Использование: при вскрытии продуктивных пластов в обсушенных скважинах. Обеспечивает снижение металлоемкости устройства и снижение стоимости изготовления. Сущность изобретения: устройство включает тонкостенный трубчатый кожух с двумя концевыми заглушками, в нем размещены кумулятивные заряды в толстостенных замкнутых осесимметричных оболочках. Они выполнены с утонченными участками. К зарядам подведен детонирующий шнур. Внутри кожуха - внутренняя цилиндрическая опора. Она выполнена из пористого материала с динамической жесткостью, кратно меньшей динамической жесткости материала осесимметричных оболочек и прочностью на всестороннее объемное сжатие не менее гидродинамического давления в скважине. Кроме того, внутренняя цилиндрическая опора выполнена из кварцевого песка. А также утонченный участок осесимметричной оболочки выполнен в виде мембраны. Сущность изобретения: по способу изготовления устройствa: заряды с детонирующим шнуром помещают в кожух с нижней концевой заглушкой, затем формируют внутреннюю цилиндрическую опору. Для этого в полость кожуха в его вертикальном положении засыпают пористый материал (песок) и уплотняют его вибрацией. Затем устанавливают верхнюю концевую заглушку. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Кумулятивный перфоратор, включающий кумулятивные заряды в толстостенных замкнутых осесимметричных оболочках, выполненных с утонченными участками, и детонирующий шнур, размещенный на контакте с утонченными участками, отличающийся тем, что он снабжен тонкостенным трубчатым кожухом с двумя концевыми заглушками и внутренней цилиндрической опорой, взаимодействующей с трубчатым кожухом и осесимметричными оболочками, при этом внутренняя цилиндрическая опора выполнена из пористого материала с динамической жесткостью, кратной меньшей динамической жесткости материала осесимметричных оболочек, и прочностью на всестороннее объемное сжатие не менее гидростатического давления в скважине. 2. Кумулятивный перфоратор по п.1, отличающийся тем, что в качестве пористого материала применена способная к формованию композиция на основе кварцевого песка со связующей добавкой, при этом в кварцевом песке помещены продольные разъемы в плоскостях размещения детонирующего шнура и осей осесимметричных оболочек. 3. Кумулятивный перфоратор по п.1, отличающийся тем, что в качестве пористого материала применен уплотненный кварцевый песок. 4. Кумулятивный перфоратор по п.1, отличающийся тем, что утонченный участок осесимметричной оболочки выполнен в виде отдельной, примыкающей к ней, мембраны. 5. Способ изготовления кумулятивного перфоратора, включающий установку зарядов и детонирующего шнура, отличающийся тем, что последние устанавливают в тонкостенный трубчатый кожух с нижней концевой заглушкой, затем формируют внутреннюю цилиндрическую опору из кварцевого песка, для чего в полость тонкостенного трубчатого кожуха, находящегося в вертикальном положении, попеременно засыпают кварцевый песок и уплотняют его посредством вибраций до уровня второй концевой заглушки, после чего с упором в кварцевый песок устанавливают вторую концевую заглушку.