СКВАЖИННЫЙ ТРУБОРЕЗ Российский патент 1997 года по МПК E21B29/02 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к труборезам, применяющимся для обрыва труб в скважине.

Известно устройство для обрыва труб в скважине, состоящее из кольцевого заряда ВВ со средствами его инициирования. Заряд, содержащий кумулятивную выемку, находится между боковыми крышками и установлен в цилиндрическом корпусе трубореза.

Недостатками данного кумулятивного трубореза являются фугасное и бризантное воздействие кумулятивного заряда на разрезаемую трубу.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату при использовании к предлагаемому изобретению является труборез, описанный в работе [1] состоящий из кольцевого заряда ВВ с кумулятивной выемкой, покрытой облицовкой, средств его инициирования в виде электродетонатора и отрезка детонирующего шнура (ДШ); боковых крышек, между которыми он закреплен и цилиндрического корпуса.

Недостатки прототипа:
1) массивные боковые крышки создают мощные потоки продуктов взрыва (ПВ)) в радиальном направлении, которые впоследствии оказывают негативное воздействие на обрезаемую трубу (деформация, трещины и т. д.);
2) ВВ, массивные боковые крышки, цилиндрический корпус трубореза имеют обширные поверхности соприкосновения, что способствует при взрыве ВВ распространению без затухания на обрезаемую трубу мощных ударных волн (УВ) амплитудой 10 ГПа, которые могут привести на значительной протяженности обрезаемой трубы к ее дроблению и отколам;
3) периферийные участки облицовки, как только начинается их движение под действием ПВ, сразу интенсивно разгружаются, приобретают небольшую скорость, недостаточную для кумуляции струи, в результате эта часть облицовки выключается из формирования струи, ее длина уменьшается.

Задача изобретения создание труборезов с надежным разрезанием труб и уменьшением на них остаточного воздействия от труборезов.

Технический результат изобретения повышение эффективности работы устройства за счет уменьшения его фугасного и бризантного воздействия и увеличения длины струи.

Технический результат достигается тем, что, по сравнению с известным скважинным труборезом, состоящим из цилиндрического корпуса с боковыми крышками, внутри которого установлены кольцевой заряд ВВ с кумулятивной выемкой, покрытой облицовкой, средства инициирования заряда в виде отрезка ДШ и электродетонатора, новым является то, что на крышке выполнен выступ в виде усеченного конуса, меньшим основанием примыкающего к крышке. Толщина конуса равна толщине крышки δ₁ на участке от ее края до места примыкания к ней конуса. Длина этого участка h₂ находится в пределах от δ₁ до 2δ₁. Толщина крышки δ₂ на участке длиной h₁, равной 1/6 внутреннего диаметра корпуса, от места примыкания конуса к крышке по направлению к ее центру и угол конусности β выбираются из следующих соотношений:
d_обл<δ₂<2δ_обл
,
где δ_обл - толщина облицовки;
α - угол кумулятивной выемки.

Как отмечалось выше, недостатком прототипа является его значительное фугасное воздействие на обрезаемою трубу вследствие мощных потоков ПВ в радиальном направлении. Следовательно, чтобы решить проблему фугаса ПВ, необходимо трансформировать их радиальное движение в осевое. Технически для реализации этой идеи необходимо в боковой крышке определить положение и основные размеры "форточки" для разгрузки ПВ в осевом направлении, причем принципиально важно, чтобы процесс кумуляции облицовки в струю не ухудшился.

Известно, что импульс кумулятивной струи на 90% формируется облицовкой на длине, равной 2/3 от ее полной длины l, отсчитывая от вершины облицовки (фиг. 2 и 3). Следовательно, полный импульс струи заметно не уменьшится, если на длине, равной 1/3l, начиная от наружного диаметра заряда ВВ по направлению к его центру, на боковой крышке толщина стенки будет уменьшена, что впоследствии будет способствовать формированию в этом месте "форточки" для разгрузки ПВ в осевом направлении.

Толщину уменьшенной стенки δ₂ оценим из следующих соображений. Интенсивная разгрузка со стороны боковой крышки с толщиной стенки δ₂ начнется после двойного пробега по ней волны разкрузки:

где с скорость звука материала боковой крышки.

Hеобходимо, чтобы к этому времени уже произошел отбор энергии облицовкой от ВВ, т. е.

t_разгр. t_отб.
Оценим приблеженно t_отб на основе данных работы. Так, в перформаторах μ ≈ 1 (m - отношение массы ВВ к массе облицовки, приходящихся на единицу поверхности). Из этого следует, что в режиме скользящей детонации основной отбор энергиии облицовкой происходит за время:

где v_∞ максимальная скорость облицовки.

При μ 1 для ВВ со скоростью детонационной волны Д_BB 8 км/с максимальная скорость облицовки v_∞ ≈ 2 км/с
Тогда

Следовательно,

С учетом того, для стали c ≈ 4 км/с, для алюминия c ≈ 5 км/с, а v_∞ ≈ 2 км/с получим окончательно
δ_обл <δ₂<2δ_обл
Если предположить, что облицовка располагается внутри цилиндрического корпуса трубореза диаметром D_тр, то 1/3l 1/6D_тр.

Для пояснения другого положения формулы обратимся к схеме, показанной на фиг. 4. В плоскости боковая крышка контактирует с зарядом ВВ и детонационная волна генерирует в стенке боковой крышки ударную волну (примем ее за стационарную) амплитудой P_ув. Плоскости КМ и LN граничат с воздухом, средой, имеющей нулевой импеданс. Поэтому сразу, начиная с точек L и К ударно-сжатый материала крышки будет разгружаться боковой волной разгрузки. Область разгрузки определяется углом ξ который равен:
,
где С скорость звука материала крышки за фронтом УВ;
U_ув, D_ув массовая и волновая скорость в УВ соответственно. В акустическом приближении D_ув C угол ξ равен 45^o и область интенсивной разгрузки h_разг= δ₁, т. е. на высоте h_разгр ударная волна затухнет, а сама крышка на этой высоте будет разрушена в волне разряжения, так как амплитуда УВ заметно превышает прочность материала крышки. Так для стали σ_пр 1 ГПа, а Р_ув 10 ГПа. В реальной УВ угол 30^°< ξ < 45^°, поэтому δ₁< h_разг< 2δ₁.

Ясно, чтобы УВ не достигла цилиндрического корпуса, необходимо выполнить условие h_разгр h₂, таким образом
δ₁< h₂< 2δ₁
Дополнительное наклонное ребро боковой крышки, образованное усеченным конусом, в работе трубореза играет важную роль. Обратимся к схеме, изображенной на фиг. 5, 6, 7, 8. Облицовка в режиме скользящей детонации под действием ПВ разворачивается на угол γ, приобретая скорость U_обл. равную
U_обл= 2D_ввsinγ/2
Причем вектор скорости U_обл относительно нормали к облицовке разворачивается на угол γ/2. Для перфораторов обычно μ ≈ 1, U_обл 2 км/с, D_ВВ 8 км/с, следовательно, g 15^o, g/2 7,5^o. Если выступ отсутствует, то ПВ при отходе облицовки от боковой крышки сразу будут разгружены в значительном объеме и часть облицовки будет выключена из процесса кумуляции струи из-за недостаточной скорости. Более того, эта часть облицовки зачастую формирует массивный пест, который закупоривает рез в трубе, а в перфораторах перфорационное отверстие в обсадной колонне, необходимое для отбора нефти из пласта.

Если выступ присутствует, то этого не произойдет в случае грамотного выбора конусности β. Необходимо, чтобы вектор U_обл имел с выступом не нулевой угол e. Тогда облицовка будет постоянно при движении прижиматься к выступу и ПВ не будут иметь возможность прорваться между облицовкой и выступом. Из фиг. 8 следует

где α - угол кумулятивной выемки.

Нижнее значение угла ε ограничим значение 2^o, чтобы был устойчив контакт облицовки и выступа. Верхнее значение e ограничим значением 10^o. Как показывают оценки, при e≥10^o возможно формирование пристеночной кумулятивной струи, которая разрушает основную кумулятивную струю. Тогда получим для b выражение
84,5 - α/2 < β < 92,5 - α/2
Толщина выступа определяется из тех же соображений, что и δ₁.

На фиг. 1 приведена конструкция предлагаемого скважинного трубореза, где 1 кольцевой заряд ВВ; 2 и 3 средство инициирования; 4 облицовка кумулятивной выемки; 5 боковые крышки; 6 цилиндрический корпус трубореза.

На фиг. 2 и 3 показана эпюра импульса облицовки после ее кумуляции в струю.

На фиг. 4 приведена газодинамическая схема взаимодействия стационарной УВ с ребром боковой крышки.

На фиг. 5, 6, 7, 8 приведены газодинамические схемы, поясняющие выбор угла β выступа.

В примере конкретного исполнения предлагаемого скважинного трубореза заряд ВВ состоял из двух симметричных колец, между которыми устанавливалась медная облицовка 4. Кольца заряда и облицовка склеивались между собою эпоксидным клеем. Заряд изготавливали из состава на основе октогена с плотностью ≈ 1,8 г/см³. Затем заряд с облицовкой устанавливались между боковыми крышками 5 и также фиксировались с ними посредством эпоксидного клея. Затем через отверстие в одной из боковых крышек для инициирования заряд ВВ вводится отрезок ДШ 3, к которому прикреплен электрогенератор 2. Боковые крышки изготавливались точением из алюминиевого сплава. Основные размеры боковой крышки были следующими (фиг. 1):
D_тр 45 мм; b 59^o; h₁ 5 мм; d₂ 1 мм; δ₁ 1 мм; h₂ 1,5 мм; δ₃ 1 мм.

Для исследования пробивной способности трубореза вместо цилиндрического корпуса 6 устанавливалась массивная труба, изготовленная из стали Ст. 3 с толщиной стенки 30 мм. Масса кольцевого заряда ВВ составляла 15 г. Облицовка изготавливалась точением и имела угол α 60^o и толщину стенки d_обл 0,6 мм.

Работа устройства заключается в следующем.

При подаче электрического импульса срабатывает электродетонатор 2, который через детонирующий шнур 3 иницирует кольцевой заряд ВВ 1. Облицовка 4 под действием ПВ обжимается и формирует кольцевую кумулятивную струю. Когда детонационная волна достигает наружного диаметра заряда ВВ в боковой крышке 5 на участке с уменьшенной толщиной стенки происходит ее прорыв и продукты взрыва вытекают в воздушную полость трубореза. Прорыв стенки с уменьшенной толщиной происходит таким образом, что облицовка к этому времени уже отобрала максимальную энергию от ПВ. При выходе детонационной волны, на наружный диаметр заряда ВВ также по стенке боковой пластины пойдет УВ, однако за счет разумно выбранных геометрических размеров она вскоре затухает и не достигнет цилиндрического корпуса. Помимо этого за счет дополнительного выступа облицовки в основании кумулятивной выемки при непрерывном скольжении по нему достигает значительной скорости, достаточной для кумуляции в струю. Таким образом, весь материал облицовки участвует в формировании струи. Сформированная струя при своем движении последовательно сначала разрушает цилиндрический корпус трубореза, а затем совершает кольцевой рез нефтяной трубы (насосно-компрессорной, обсадной и т. д.).

Наличие положительного эффекта, получаемого от применения устройства подтверждено экспериментально. Для сравнения технико-экономических показателей устройства и прототипа был испытан пример конкретного исполнения трубореза, описанный выше. Результаты эксперимента сравнивались с результатами по глубине пробивания трубореза, у которого в боковой крышке отсутствовал дополнительный выступ. Глубина реза по стали Ст 3 трубореза в 1,3 раза превышала глубину реза прототипа. Продолжительный эффект получен за счет наличия в боковой крышке выступа, позволяющего увеличить длину струи и, как следствие, глубину реза.

Использование: в нефтегазодобывающей промышленности, в частности в прострелочно-взрывной аппаратуре, используемой для обрыва труб в скважине. Сущность изобретения: труборез содержит цилиндрический корпус 6 с боковыми крышками 5. В нем установлены заряд взрывчатого вещества (ВВ) 1 с кольцевой кумулятивной выемкой, покрытой облицовкой 4 и средство инициирования 2,3. На крышке 5 выполнен выступ в виде усеченного конуса, меньшим основанием примыкающего к крышке. Толщина конуса равна толщине крышки δ₁ на участке от ее края до места примыкания к ней конуса. Длина этого участка h₂ находится в пределах от δ₁ до 2δ₁. Толщина крышки δ₂ на участке длиной h₁, равной 1/6 внутреннего диаметра корпуса, от места примыкания конуса к крышке по направлению к ее центру и угол конусности β выбирают из следующих соотношений: δ_обл<δ₂<2δ_обл,
где δ_обл - толщина кумулятивной облицовки, α - - угол кумулятивной выемки. 8 ил.

Скважинный труборез, содержащий цилиндрический корпус с боковыми крышками, в котором установлены заряд взрываемого вещества с кольцевой кумулятивной выемкой, покрытой облицовкой, и средство инициирования, отличающийся тем, что крышка выполнена с выступом, представляющим собой усеченный конус, меньшим основанием примыкающий к крышке, при этом толщина δ₁ крышки на участке от ее края до места примыкания конуса к крышке равна толщине стенки конуса, а толщина δ₂ крышки на участке длиной h₁ равна 1/6 внутреннего диаметра корпуса от места примыкания конуса к крышке по направлению к ее центру, а также длина участка крышки h₂ от ее края до места примыкания к ней конуса и угол конусности β выбираются из следующих соотношений:
d_обл<δ₂<2δ_обл;
δ₁<h₂<2δ₁;
84,5 - α/2<β<92,5 - α/2,
где δ_обл - толщина кумулятивной облицовки;
α - угол кумулятивной выемки.