ЗАРЯДНЫЙ МОДУЛЬ КУМУЛЯТИВНОГО КОРПУСНОГО ПЕРФОРАТОРА Российский патент 1999 года по МПК E21B43/117 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к прострелочно-взрывной аппаратуре, применяемой для вскрытия продуктивных пластов в нефтяных и газовых скважинах.

Все большее применение в практике промысловых работ находит технология вторичного вскрытия продуктивных пластов с обеспечением за один спуск перфорации в интервалах большой длины вплоть до нескольких сот метров, в том числе при спуске на насосно- компрессорных трубах в горизонтальных и наклонно направленных скважинах. Применение перфорационных систем с использованием корпусных перфораторов модульной конструкции повышает производительность и надежность проведения работ непосредственно на самой скважине. Однако при осуществлении такой технологии, учитывая большое число последовательно работающих зарядных модулей, повышаются требования к надежности работы самих зарядных модулей перфоратора, надежной передачи детонации вдоль огневой линии, включая детонирующий шнур (ДШ), а также от ДШ к кумулятивным зарядам и от одного модуля к другому для обеспечения полноты срабатывания.

Известен (М.Кл. E 21 E 43/116, а.с. N 335368) модуль кумулятивного корпусного перфоратора, содержащий основание из сплошного материала, выполненное в виде ряда ячеек, в каждой из которых находится по одному кумулятивному заряду. Каждая ячейка состоит из двух секций, выполненных в виде усеченных цилиндров, соприкасающихся друг с другом скошенными торцами. В теле основания выполнены продольные канавки с взрывчатым веществом (ВВ), причем ВВ канавок непосредственно контактирует с ВВ кумулятивных зарядов. При инициировании ВВ канавки передача детонации в ячейке от предыдущей секции к последующей осуществляется в зоне формирования кумулятивной струи от кумулятивного заряда, расположенного в предыдущей секции. От ячейки к ячейке детонация передается при непосредственном контакте ВВ продольных канавок соседних ячеек.

Недостатками указанного модуля являются: - снижение эффективности работы кумулятивных зарядов вследствие неизбежного воздействия продуктов взрыва ВВ канавки передачи детонации к следующему заряду на формирование кумулятивной струи предыдущего заряда; усиленное воздействие ударных волн на элементы конструкции модуля, поскольку основание модуля выполнено из сплошного материала; относительно низкая надежность передачи детонации от заряда к заряду из-за большого количества конструктивных зазоров между отдельными ячейками и возможного их неплотного соприкосновения и, как следствие, отсутствия хорошего контакта ВВ продольных канавок.

Частично решены проблемы с преодолением указанных недостатков в наиболее близком к заявляемому модуле кумулятивного перфоратора (М.Кл. E 21 B 43/116 N 1810503 A1), содержащем основание, выполненное как единое целое из пористого материала с плотностью 0,1 - 0,7 г/см³; кумулятивные заряды в теле основания и непрерывный канал передачи детонации, заполненный ВВ, причем этот канал непосредственно контактирует только с вершинами кумулятивных зарядов и не проходит в зоне формирования кумулятивной струи. На торцах основания детонационный канал выполнен с уширением, облицован металлом и расположен с зазором относительно торцевой поверхности основания. На цилиндрической поверхности основания выполнены буртики.

К недостаткам указанного модуля, из-за которых трудно обеспечить требуемую высокую надежность работы перфораторов, особенно при использовании большого числа последовательно работающих зарядных модулей, следует отнести ряд его конструктивных решений:
- ВВ, расположенное в канале передачи детонации, непосредственно соприкасается с материалом пористого основания, что под воздействием высоких температур, имеющих место в скважинах, оказывает влияние на взаимодействие отдельных компонент ВВ с материалом основания, снижая надежность распространения детонации;
- узким местом с точки зрения надежности передачи детонации для указанного выше модуля, как и для большинства других перфораторов, является конструктивный переход от канала передачи детонации к точке инициирования (вершине) кумулятивного заряда, поскольку оси канала и кумулятивного заряда в этом месте, как правило, перпендикулярны или имеют определенный угол сочленения и, следовательно, в этом месте реализуется режим скользящей передачи детонации, надежность распространения которой меньше, чем продольной, а, кроме этого, в этих местах могут появиться трудноконтролируемые воздушные зазоры, что также снижает надежность;
- такой же режим скользящей детонации частично реализуется и в самом канале передачи на поворотах, когда один участок детонационной линии перпендикулярен другому (на цилиндрической поверхности основания модуля), что может требоваться для фазировки расположения кумулятивных зарядов.

К недостаткам указанного модуля относится также необходимость сборки его на специализированных предприятиях, поскольку снаряжение канала передачи детонации, мест сочленения его с вершиной кумулятивного заряда, а также с торцевым узлом передачи детонации между модулями требует не только высококвалифицированного труда, но и специализированной рентгенографической методики контроля отсутствия зазоров, что трудно достичь при работе непосредственно на скважинах или на геофизических предприятиях, выполняющих перфорационные работы. Кроме того, увеличиваются транспортные расходы по доставке к месту потребления содержащих ВВ изделий, поскольку объем ВВ составляет малую долю объема модуля. Дешевле было бы отдельные узлы, содержащие ВВ и не содержащие их, доставлять раздельно из-за отличия в тарифах на перевозку, а сборку производить у потребителя.

Целью изобретения является повышение надежности работы зарядных модулей кумулятивного корпусного перфоратора при одновременном уменьшении стоимости проведения общих подготовительных работ.

Цель достигается тем, что в зарядном модуле кумулятивного корпусного перфоратора, содержащем кумулятивные заряды, огневую линию для передачи детонации от заряда к заряду и от модуля к модулю, проходящую над всеми вершинами кумулятивных зарядов, основание из пористого материала с выполненной в нем канавкой для размещения огневой линии, огневая линия выполнена в виде отрезка детонирующего шнура в металлической оболочке, укрепленного в канавке, и снабженного линейными по числу кумулятивных зарядов в модуле и двумя концевыми усилителями ударной волны, выполненными из невзрывчатого материала с акустической жесткостью (волновым сопротивлением) более 3•10⁷ кг/м²•с.

Линейный усилитель ударной волны выполнен в виде цилиндра со сквозным, поперечным для прохождения шнура отверстием с диаметром, равным диаметру детонирующего шнура, и несквозным продольным отверстием со стороны торца, прилегающего к кумулятивному заряду. Диаметр несквозного отверстия равен внутреннему диаметру детонирующего шнура, глубина этого отверстия равна 4... 6 толщинам оболочки детонирующего шнура.

Концевой усилитель ударной волны выполнен в виде цилиндра с несквозным поперечным для ввода конца детонирующего шнура отверстием с диаметром, равным диаметру шнура, и несквозным отверстием по оси цилиндра, содержащим шашку ВВ, облицованную со стороны открытого конца цилиндра тонкостенной металлической оболочкой и имеющей несквозное поперечное для ввода детонирующего шнура отверстие глубиной равной 1...2,5 диаметрам шнура. Толщина оставшейся части взрывчатого вещества по оси этого отверстия составляет не менее одного внутреннего диаметра оболочки детонирующего шнура. Концевые усилители ударной волны установлены с утопанием в 15...20 толщин тонкостенной оболочки относительно торцов основания модуля.

Толщина оболочки детонирующего шнура выбирается в интервале 0,05...0,1 внутреннего диаметра оболочки детонирующего шнура.

При выполнении на цилиндрической поверхности основания канавки по винтовой линии кумулятивные заряды устанавливаются в основании на расстоянии не менее 1,5 диаметра кумулятивного заряда между перпендикулярными к оси плоскостями, в которых расположены оси симметрии кумулятивных зарядов.

При выполнении продольной канавки по образующей наружной поверхности основания на его торцах имеются по три отверстия, расположенных на одном диаметре и смещенных друг относительно друга на 120^o. В отверстия на одном из торцов установлены выступающие штифты.

Сравнение заявляемого решения с прототипом показывает, что введение детонирующего шнура в металлической оболочке повышает надежность передачи детонации в самом детонирующем шнуре за счет сдерживания разлета продуктов детонации. При этом, изгибы ДШ с радиусом кривизны, более или равным 5 диаметрам оболочки, не приводят к отказам в передаче детонации. Дополнительная постановка линейных усилителей ударной волны из невзрывчатых материалов с акустической жесткостью ρ•c > 3•10⁷ кг/м²•с (здесь ρ - плотность материала, c - скорость звука в нем) обеспечивает надежную передачу детонации от ДШ к ВВ кумулятивного заряда и шашке на торцах основания. Этому условию удовлетворяют такие материалы как медь, сталь, металлокерамика и т.п. При постановке усилителей повышение надежности передачи детонации в направлении инициируемого заряда осуществляется за счет наличия эффекта отражения ударной волны от жесткой стенки усилителя со стороны ДШ, противоположной инициируемому заряду, что позволяет повысить давление в ВВ принимающего детонацию узла - кумулятивного заряда. Отражатели расположены вплотную к оболочке детонирующего шнура за счет конструктивного сочленения ДШ и линейного усилителя ударной волны.

Конструкция концевого усилителя ударной волны, в который вставляется конец детонирующего шнура, вместе с шашкой с металлической оболочкой на торце основания обеспечивает передачу детонации в этом месте одинаково надежно в двух направлениях как от ДШ к шашке, так и наоборот от шашки к ДШ, когда распространение детонации происходит от предыдущего зарядного модуля к последующему. В последнем случае в концевом усилителе ударной волны жесткая стенка усилителя отражает ударные волны и сдерживают разлет продуктов взрыва ВВ. Давление в ВВ повышается, что создает хорошие условия для распространения детонации по ДШ и повышает надежность работы.

Расположение ДШ в канавке основания и его закрепление в ней увеличивает сохранность огневой линии, защищает ее от внешних случайных повреждений и повышает прочность всей конструкции зарядного модуля.

Утопание шашки с металлической оболочкой относительно торца модуля на величину 15. . .20 толщин этой самой металлической оболочки позволяет осуществлять разгон летящей пластины от оболочки при возбуждении детонации в шашке до скоростей 1,5. ..2 км/с. При этом, пролетая по воздушному зазору между торцами двух модулей суммарное расстояние, равное 30...40 своих толщин, пластина надежно возбуждает детонацию в шашке противоположного модуля. В случае аварийной разгерметизации корпуса перфоратора и заполнения скважинной жидкостью зазора между модулями энергия летящей пластины при полете в жидкости успевает погаснуть так, что детонация в противоположном модуле не возникает. Кумулятивные заряды, расположенные в результате разгерметизации к этому моменту в жидкости, не работают. При этом, исключается нежелательное фугасное воздействие ВВ на корпус перфоратора и обсадную колонну скважины, что является положительным эффектом в данных условиях.

Расстояние между соседними в модуле кумулятивными зарядами, равное 1,5 диаметрам этих кумулятивных зарядов, исключает воздействие работы одного заряда на работу другого, расположенного рядом по оси.

На фиг.1 показан разрез зарядного модуля с продольным расположением кумулятивных зарядов в одной плоскости. На фиг.2 показана отдельно огневая линия. На фиг. 3 представлен зарядный модуль с расположением кумулятивных зарядов по спирали. На фиг.4 изображен зарядный модуль со штифтами и отверстиями в торце основания.

Зарядный модуль кумулятивного корпусного перфоратора состоит из основания 1, кумулятивных зарядов 2, канавки 3, детонирующего шнура 4, шашек ВВ 5, линейных 6 и концевых 7 усилителей ударной волны. Кумулятивные заряды устанавливаются и закрепляются в углублениях, а детонирующий шнур - в канавке основания. Линейные усилители ударной волны надеваются на детонирующий шнур и устанавливаются таким образом, что их несквозные отверстия располагаются против вершин кумулятивных зарядов. Два концевых усилителя ударной волны устанавливаются в углублениях по оси в противоположных торцах основания. Шашки 5 со стороны открытого конца усилителя закрыты металлической облицовкой 8. Штифты 9 устанавливаются в отверстия 10 на одном из торцов основания.

Все узлы и детали зарядного модуля имеют законченный вид, что позволяет производить монтаж их в геофизических предприятиях непосредственно перед проведением прострелочных работ. Сначала в основании закрепляются кумулятивные заряды, затем устанавливаются два концевых усилителя ударной волны и затем детонирующий шнур с надетыми на него линейными усилителями. Концы ДШ вводятся в боковые отверстия концевых усилителей ударной волны. Смонтированные зарядные модули располагаются последовательно друг за другом в корпусе перфоратора. При этом, с помощью штифтов 9 осуществляется необходимая ориентация модулей друг относительно друга по длине перфоратора. Корпус перфоратора герметизируется с помощью муфт и головки, в которой располагается узел начального инициирования детонации.

Устройство работает следующим образом:
После срабатывания узла инициирования в головке перфоратора начальный импульс передается к шашке первого зарядного модуля, вызывая в ней детонацию. В результате действия продуктов взрыва детонационной волны и отраженных от стенок усилителя ударным волнам, воздействующим на оболочку ДШ, в последнем надежно возбуждается детонация ВВ, распространяющаяся по ДШ. Достигая линейных усилителей ударной волны, установленных напротив кумулятивных зарядов, детонация передается к вершинам кумулятивных зарядов, вызывая их последовательное срабатывание. Здесь часть оболочки ДШ пролетает зазор в 4...6 своей толщины, приобретая импульс, ударяет по вершине кумулятивных зарядов. Последовательно детонация передается по ДШ ко второму концевому усилителю, надежно возбуждая детонацию шашки. Пластина с противоположной стороны шашки под действием продуктов взрыва разгоняется, пролетает зазор в 30...40 своих толщин и, приобретая импульс, ударяет по облицовке шашки уже следующего зарядного модуля. Так же работают и последующие модули. Процесс имеет место до тех пор пока не сработают все зарядные модули перфоратора. Как уже говорилось выше, прерывание распространения детонации произойдет в том месте, где зазор между модулями будет заполнен скважинной жидкостью, чем исключается нежелательное фугасное воздействие ВВ кумулятивных зарядов, из-за работы их в жидкости, на корпус перфоратора и обсадную колонну скважины.

Работоспособность заявляемого зарядного модуля подтверждается результатами испытаний, показавших высокую надежность работы, технологичность монтажа модулей и простоту использования в процессе эксплуатации.

Использование: в нефтегазодобывающей промышленности и, в частности, в престрелочно-взрывной аппаратуре. Применяют для вскрытия продуктивных пластов в нефтяных и газовых скважинах. Обеспечивает повышение надежности работы зарядных модулей кумулятивного корпусного перфоратора при одновременном уменьшении стоимости проведения общих подготовительных работ. Сущность изобретения: устройство содержит кумулятивные заряды, огневую линию для передачи детонации от заряда к заряду и от модуля к модулю. Эта линия проходит над всеми вершинами кумулятивных зарядов. Огневая линия размещена в канавке основания. Это основание выполнено из пористого материала. Огневая линия выполнена в виде отрезка детонирующего шнура в металлической оболочке. Он укреплен в канавке и имеет усилители ударной волны. Это линейные усилители с числом кумулятивных зарядов и два концевых усилителя. Усилители ударной волны выполнены из невзрывчатого материала с акустической жесткостью более 3•10⁷ кг/м²•с. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Зарядный модуль кумулятивного корпусного перфоратора, содержащий кумулятивные заряды, огневую линию для передачи детонации от заряда к заряду и от модуля к модулю, проходящую над всеми вершинами кумулятивных зарядов, основание из пористого материала с выполненной в нем канавкой для размещения огневой линии, отличающийся тем, что огневая линия выполнена в виде отрезка детонирующего шнура в металлической оболочке, укрепленного в канавке и снабженного линейными по числу кумулятивных зарядов и двумя концевыми усилителями ударной волны, выполненными из невзрывчатого материала с акустической жесткостью более 30 • 10⁷ кг/м²•с. 2. Зарядный модуль кумулятивного корпусного перфоратора по п.1, отличающийся тем, что линейный усилитель ударной волны выполнен в виде цилиндра со сквозным, поперечным для прохождения шнура отверстием, диаметром, равным диаметру детонирующего шнура, и несквозным продольным отверстием со стороны торца, прилегающего к кумулятивному заряду, диаметр несквозного отверстия также равен внутреннему диаметру детонирующего шнура, глубина несквозного отверстия равна 4 - 6 толщинам оболочки детонирующего шнура. 3. Зарядный модуль кумулятивного корпусного перфоратора по п.1, отличающийся тем, что концевой усилитель ударной волны выполнен в виде цилиндра с несквозным поперечным для ввода конца детонирующего шнура отверстием, диаметром равным диаметру шнура, и несквозным отверстием по оси цилиндра, содержащим шашку взрывчатого вещества, облицованную со стороны открытого конца цилиндра тонкостенной металлической оболочкой и имеющей несквозное поперечное для ввода детонирующего шнура отверстие глубиной, равной 1 - 2,5 диаметра шнура, толщина оставшейся части взрывчатого вещества по оси этого отверстия составляет не менее одного внутреннего диаметра оболочки детонирующего шнура, концевые усилители ударной волны установлены с утопанием в 15 - 20 толщин тонкостенной облицовки относительно торцов основания модуля. 4. Зарядный модуль кумулятивного корпусного перфоратора по п.1, отличающийся тем, что толщина оболочки детонирующего шнура, выбрана в интервале 0,05 - 0,1 внутреннего диаметра оболочки детонирующего шнура. 5. Зарядный модуль кумулятивного корпусного перфоратора по п.1, отличающийся тем, что при выполнении на цилиндрической поверхности основания канавки по винтовой линии кумулятивные заряды установлены в основании модуля на расстоянии не менее 1,5 диаметра кумулятивного заряда между перпендикулярными к оси плоскостями, в которых расположены оси симметрии кумулятивных зарядов. 6. Зарядный модуль кумулятивного корпусного перфоратора по п.1, отличающийся тем, что при выполнении продольной канавки по образующей наружной поверхности основания на его торцах имеются по три отверстия, расположенные на одном диаметре и смещенные относительно друг друга на 120^o, в отверстия на одном из торцов установлены выступающие штифты.