ТРУБОРЕЗ Российский патент 1997 года по МПК E21B29/02 

Изобретение относится к области сверхскоростного импульсного удара и предназначено для поперечного разрезания цилиндрических труб в нефтяных, газовых, геологоразведочных и других скважинах.

Предлагаемое устройство решает задачу разрезания толстостенных труб за счет повышения эффективности действия заряда ВВ. При этом прилегающие к месту разрыва участки трубы практически не претерпевают радиальной деформации стенок, что позволяет производить их свободное извлечение из скважины.

Известно устройство для резки труб, содержащее дисковый кумулятивный заряд с системой инициирования (СИ), расположенной на оси устройства. Данное устройство, имеющее кумулятивную выемку с облицовкой, формирует кольцевую металлическую струю, прожигающую стенки трубы на глубину не более 10-15 мм [1] Недостатком такого устройства является сравнительно невысокая способность резки толстостенных труб с малым внутренним диаметром из-за ограниченных размеров кумулятивного заряда.

Известно устройство для резки труб, состоящее из цилиндрического корпуса с расположенным в нем зарядом взрывчатого вещества (ВВ) и системы инициирования (СИ). СИ в виде взрывного патрона расположена на верхнем основании заряда. Устройство предназначено для разрезания прихваченных бурильных труб в скважинах в аварийных ситуациях [1, 2] При срабатывании взрывного патрона происходит возбуждение детонации на верхнем основании заряда, так что детонационная волна распространяется вдоль оси заряда от верхнего основания к нижнему. В результате под воздействием продуктов взрыва (ПВ) происходит разрушение стенок трубы. Недостатком такого устройства является сравнительно невысокое разрушающее действие, обусловленное разгрузкой ПВ при довольно большой массе заряда ВВ.

В качестве прототипа к заявляемому объекту взято устройство, содержащее цилиндрический корпус, размещенный в корпусе заряд ВВ с осевым отверстием, верхнюю металлическую пробку с отверстием, соосным с отверстием заряда, нижнюю металлическую пробку и средство инициирования, размещенное в отверстии заряда ВВ [3] Данное устройство также не обеспечивает разрезания толстостенных труб при сравнительно высокой массе заряда ВВ.

Технический результат заключается в повышении эффективности разрезания бурильных труб с более толстыми стенками при одновременном снижении их радиальной деформации за счет сокращения массы заряда ВВ.

Это достигается тем, что по сравнению с прототипом, содержащим цилиндрический корпус, размещенный в корпусе заряд ВВ с осевым отверстием, верхнюю металлическую пробку с отверстием, соосным с отверстием заряда, нижнюю металлическую пробку и средство инициирования, размещенное в отверстии заряда ВВ, новым является то, что корпус снабжен двумя металлическими пробками, примыкающими к основаниям заряда ВВ, в верхней пробке и заряде ВВ выполнено осевое отверстие, причем отверстие в заряде ВВ выполнено глухим и составляет половину его высоты, а система инициирования размещена на дне отверстия заряда.

Кроме того, отношение высоты заряда h_зар к его диаметру d_зар лежит в интервале а отношение толщины Δ каждой из пробок к диаметру заряда находится в интервале
.

Наличие примыкающих к основаниям заряда массивных металлических пробок, сдерживающих разлет ПВ, повышает разрушающее действие заряда. Металлические пробки обеспечивают формирование отраженных от пробок ударных волн, при многократном столкновении которых в стенках бурильной трубы возникает структура разрушающих напряжений, приводящих к эффективному разрыву трубы. В случае малой толщины пробок Δ <0,7d_зар они, быстро набирая скорость и разлетаясь в противоположные стороны, расширяют объем для ПВ, что приводит к падению давления продуктов взрыва внутри трубы и соответственно к снижению разрушающего действия заряда. При толщине пробок D >1,2d_зар не наблюдается заметного повышения эффекта разрушения.

Важную роль в разрезании стенок трубы играет высота заряда. При высоте заряда h_зар<1,5d_зар наблюдается отсутствие или неполное разрушение стенок трубы; при h_зар >2d_зар труба претерпевает полное разрушение, но при этом возрастает масса ВВ и соответственно увеличивается радиальная деформация стенок трубы.

На фиг. 1 изображено заявляемое устройство; на фиг. 2 изображено заявляемое устройство со средством инициирования вне заряда.

Труборез (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 1 с расположенным в нем зарядом 2 и систему инициирования 3. В корпусе 1 установлены две металлические пробки 4 и 5, примыкающие к основаниям заряда 2. В верхней пробке 4 и заряде ВВ выполнено осевое отверстие 6. Глубина глухого отверстия 6 в заряде ВВ 2 составляет половину его высоты. Система инициирования 3 установлена в отверстии 6 и примыкает к дну глухого отверстия заряда 2. Для наглядности схематично изображена труба 7, подлежащая разрушению. Отношение высоты заряда h_зар к его диаметру d_зар лежит в интервале а отношение Δ толщины каждой из пробок к диаметру заряда находится в пределах .

На фиг. 2 представлено конкретное устройство системы инициирования заряда ВВ. Оно состоит из средства инициирования (электродетонатор) 8, расположенного на внешнем торце верхней пробки 4 и канала передачи детонации в виде прутка ВВ (10), помещенного в трубку 9 из невзрываемого материала. Трубка 9 с прутком ВВ 10 установлена в осевом отверстии 6 и примыкает с одной стороны к средству инициирования 8, а с другой к дну глухого отверстия заряда 2. Толщина стенок трубки 9 из невзрываемого материала выбрана с таким расчетом, чтобы исключалась возможность преждевременного возбуждения детонации или разрушения заряда ВВ ударной волной от прутка ВВ в течение времени, пока не произойдет подрыв заряда в центре.

Устройство работает следующим образом. Как видно из фиг. 1, при подрыве СИ 3 возбуждается детонация в данной части отверстия 6 заряда 2. Сферическая расходящаяся детонационная волна, возникающая в центре заряда 2, распространяется по заряду и достигает его оснований одновременно. Отраженные от пробок 4, 5 ударные волны направлены навстречу друг другу. При многократном столкновении ударных волн в стенках разрушаемой трубы 7 возникает структура напряжений, которые по своей величине превышают прочность материала стенок трубы, что и приводит к ее поперечному разрыву.

Работа трубореза на фиг. 2 отличается от работы трубореза на фиг. 1 только тем, что возбуждение детонации заряда осуществляется через пруток ВВ малого сечения, установленного в трубке из невзрываемого материала.

В качестве примера конкретного исполнения была выбрана конструкция трубореза, вид которого схематически изображен на фиг. 2.

Основные параметры и размеры конструкции:
заряд ВВ: диаметр 40 мм, высота 60 мм, масса ВВ 130 г;
металлические пробки: диаметр 40 мм, толщина 35 мм;
корпус: наружный диаметр 50 мм; толщина стенки 5 мм;
трубка с ВВ: диаметр прутка 1,8 мм; диаметр трубки -5 мм;
разрушаемая труба: наружный диаметр 130 мм: толщина стенки 35 мм, материал сталь марки 40ХН2МА.

Как показали эксперименты, труборез надежно разрезает трубу из стали марки 40ХН2МА с наружным диаметром 130 мм и толщиной стенки 35 мм. В результате исследований было установлено, что при заданном диаметре заряда разрушающая способность трубореза зависит от прочностных свойств материала разрушаемой трубы. По этой причине отработка трубореза проводилась на трубах, изготовленных из стали марки 40ХН2МА, наиболее распространенных и используемых в нефтегазодобывающей промышленности. При разрыве наружная поверхность неразрушенной части трубы претерпевала незначительную радиальную деформацию, так что эта часть трубы может свободно извлекаться из скважины.

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для поперечного разрезания труб в нефтяных, газовых других скважинах. Для повышения эффективности разрезания бурильных труб с толстыми стенками при одновременном снижении их радиальных деформаций за счет уменьшения массы заряда взрывчатого вещества ВВ. Заряд ВВ размещен между верхней и нижней металлическими пробками без зазора, осевое отверстие заряда выполнено глухим на половину высоты заряда, а система инициирования нижним торцом установлена на дне глухого отверстия заряда, причем отношение толщины каждой из металлических пробок Δ к диаметру заряда d_зар лежит в интервале , а отношение высоты заряда h_зар к его диаметру d_зар находится в интервале 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Труборез, содержащий цилиндрический корпус с верхней и нижней металлическими пробками, внутри которого размещен заряд взрывчатого вещества с осевым отверстием, и систему инициирования, установленную в осевом отверстии, отличающийся тем, что заряд взрывчатого вещества размещен между верхней и нижней металлическими пробками без зазора, осевое отверстие заряда выполнено глухим на половину высоты заряда, а система инициирования нижним торцом установлена на дне глухого отверстия заряда, причем отношение толщины каждого из металлических пробок Δ к диаметру заряда d_з а р находится в интервале

2. Труборез по п.1, отличающийся тем, что отношение высоты заряда h_з а р к его диаметру d_з а р находится в интервале
1,5 ≅ h_з а р/d_з а р ≅ 2.