СПОСОБ ПЕРФОРАЦИИ СКВАЖИНЫ СДВОЕННЫМИ ГИПЕРКУМУЛЯТИВНЫМИ ЗАРЯДАМИ Российский патент 2015 года по МПК E21B43/117 

Изобретение относится нефте- и газодобывающей промышленности, в частности к способам вскрытия продуктивных пластов в нефтяных скважинах, и может быть использовано, например, в кумулятивных перфораторах, в кумулятивных торпедах осевого действия, для разрушения различных прочных преград.

Известен способ пробития преграды боеприпасом, включающем два последовательно расположенных соосных кумулятивных заряда с металлическими облицовками, заключающийся в размещении зарядов вблизи преграды, подрыве зарядов и формировании из облицовок двух кумулятивных струй струи в направлении к преграде. Этот способ пробития преград широко представлен в технической литературе [Средства поражения и боеприпасы: Учебник/А.В. Бабкин, В.А. Велданов, Е.Ф. Грязнов и др. Под общ. ред. В.В. Селиванова - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 984 с., с.443-448, с.466-471; S. Yarikrishnan, К.P.S. Murthy. Inconsistent performance of a tandem-shaped charge warhead//Defence Science Journal, Vol.60, N 2, 2010, p.164-168].

В этом способе первый срабатывающий кумулятивный заряд в боеприпасе предназначен для взведения динамической защиты (реактивной брони ERA) и не предназначен для увеличения (суммирования) бронепробития от каждого из кумулятивных зарядов.

Известен способ увеличения эффективности перфорации скважин, при котором размещают в герметичном корпусе осесимметричный заряд взрывчатого вещества с не менее чем двумя соосными коническими выемками, расположенными последовательно с противоположной стороны устройства инициирования (электродетонатор, капсюль детонатор и т.п.), и большими основаниями, ориентированными в сторону преграды, облицованными тонкими металлическими полыми оболочками, причем в зарядах и оболочках, расположенных ближе к преграде, выполняется канал, расположенный по оси симметрии заряда, для пропуска кумулятивной струи, сформированной в первом заряде, расположенном ближе к инициатору, производят инициирование заряда, в последовательном сжатии и метании материала металлических оболочек на ось симметрии заряда продуктами детонации взрывчатого вещества под углом менее 180 градусов и в направлении от инициатора к преграде с формированием кумулятивных струй из материала оболочек и последовательного пробития преграды кумулятивными струями [Патент США №2984307, кл. 175-2].

Также известен способ перфорации скважин сдвоенными кумулятивными зарядами, при котором соосно размещают в герметичном корпусе два кумулятивных заряда, производят инициирование первого ближайшего к преграде осесимметричного заряда взрывчатого вещества с конической выемкой, облицованной тонкой металлической полой оболочкой с противоположной стороны инициатора и большим основанием, ориентированными в сторону преграды, в последовательном сжатии и метании материала металлической оболочки на ось симметрии заряда продуктами детонации взрывчатого вещества под углом менее 180 градусов и в направлении от инициатора к преграде с формированием кумулятивной струи из материала оболочки и пробития преграды кумулятивной струей через время задержки, равное не менее времени формирования первой кумулятивной струи, производят инициирование второго осесимметричного заряда взрывчатого вещества с конической выемкой, облицованной тонкой металлической полой оболочкой с противоположной стороны инициатора и большим основанием, ориентированными в сторону преграды, в последовательном сжатии и метании материала металлической оболочки на ось симметрии заряда продуктами детонации взрывчатого вещества под углом менее 180 градусов и в направлении от инициатора к преграде с формированием кумулятивной струи из материала оболочки и углубления кратера, пробитого первой кумулятивной струей [Патент США №3358780, кл. 175-4.5].

В качестве кумулятивных зарядов согласно патенту [Патент США №2984307, кл. 175-2] предполагалось использование зарядов с коническими двухслойными оболочками, внутренний тонкий слой которых используется для формирования кумулятивной струи, а из внешнего слоя формируется пест, разрушаемый в процессе взрыва (см., например, [Патент США №3255659, кл. 86-20]) для предотвращения закупоривания перфорированного отверстия.

Достоинством способа является повышенная эффективность перфорации скважины по сравнению с одиночным перфоратором того же диаметра, т.к. в сдвоенных кумулятивных перфораторах второй кумулятивный заряд имеет более большое фокусное расстояние за счет глубины кратера, пробитого первой кумулятивной струей.

Недостатками способа являются не достаточная эффективность перфорации скважины, обусловленная отсутствием эффекта суммирования глубины пробития преграды каждым зарядом в перфораторе по отдельности, малым диаметром перфорированного отверстия, обусловленного малой массой формируемой кумулятивной струи (масса струи составляет не более 10-15% массы облицовки) и малой максимальной скоростью кумулятивной струи, ее максимальная скорость не превышает 8-10 км/с, малой глубиной пробитого кратера, обусловленного малой длиной кумулятивной струи из-из невысокого градиента скорости вдоль струи.

Кроме того, известен способ формирования высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин с глубокими незапестованными каналами и с большим диаметром [Патент 2412338 Российская Федерация, МПК E 43/117, F42B 1/02. Способ и устройство (варианты) формирования высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин с глубокими незапестованными каналами и с большим диаметром [Текст]/Минин В.Ф., Минин И.В., Минин О.В.; заявл. 07.12.2009; опубл. 20.02.2011, Бюл. №5. - 46 с.], выбранный прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в инициировании расположенного в корпусе заряда взрывчатого вещества цилиндрический, конический или иной формы, с расположенном в торце заряда с противоположной стороны инициирования заряда выемкой, облицованной металлом или иным инертным материалом, метание, ускорение и сжатие материала кумулятивной облицовки продуктами детонации взрывчатого вещества, его соударения на оси симметрии заряда и формирования кумулятивной струи, при этом в процессе метания и сжатия кумулятивной облицовки дополнительно воздействуют на кумулятивную облицовку за счет принудительного взаимодействия кумулятивной облицовки с одним или несколькими дополнительными телами, их соударения и скольжения частей материала кумулятивной облицовки относительно дополнительного тела с одновременным разворотом частей материала кумулятивной облицовки на угол схождения на ось симметрии заряда более 180 градусов и не превышающей 360 градусов, соударения частей материала кумулятивной облицовки на оси симметрии заряда под углом более 180 градусов и не превышающим 360 градусов с формированием кумулятивной струи;

кроме того, в качестве материала кумулятивной облицовки используют металл или сплавы металлов со сформированной преимущественно одинаковой кристаллографической направленностью кристаллов столбчатой структуры, расположенных по нормали к образующей поверхности кумулятивной облицовки, при этом преимущественно выбирают кристаллографическую направленность кристаллов, обладающих максимальной пластичностью;

кроме того, дополнительное тело изготавливают из инертного материала с плотностью не менее плотности материала кумулятивной облицовки и размещают симметрично относительно оси симметрии кумулятивного заряда на вершине кумулятивной облицовки с усеченной формой поверхности со стороны ее меньшего или равного основания, расположенного со стороны инициирования заряда, ускоряют продуктами детонации взрывчатого вещества, воздействуют на материал кумулятивной облицовки в процессе ее сжатия и метания с увеличением ее осевой составляющей скорости метания в направлении движения формируемой кумулятивной струи;

так же дополнительное тело изготавливают из двух или более чередующихся частей, одна часть из материала с плотностью не менее плотности материала кумулятивной облицовки и размещенная на вершине кумулятивной облицовки, а другая часть - из материала с плотностью материала, меньшей плотности материала первой части дополнительного тела, и сопряженная с внешним диаметром первого дополнительного тела, при этом части дополнительного тела выполняют разделенными на разгонный промежуток по оси симметрии заряда, достаточный для ускорения дополнительного тела с меньшей плотностью до максимальной скорости метания, без формирования кумулятивной струи;

кроме того, дополнительное сплошное или полое тело изготавливают из материала с плотностью не менее плотности материала кумулятивной облицовки с усеченной формой поверхности, выполняют с внешней осесимметричной конической или иной формой поверхности, с уменьшением его диаметра в направлении от вершины к основанию кумулятивной облицовки и размещают внутри кумулятивной облицовки по ее оси симметрии, сопрягая его с вершиной кумулятивной облицовки основанием с большим диаметром дополнительного тела, взаимодействует с метаемой кумулятивной облицовкой и в процессе ее скольжения по внешней поверхности дополнительного тела, преобразуют радиальную составляющую скорости сжатия кумулятивной облицовки в ее осевую составляющую скорости метания в направлении движения формируемой кумулятивной струи;

кроме того, дополнительное тело или несколько дополнительных тел выполняют в форме осесимметричной оболочки или системы осесимметричных оболочек, разделенных на разгонные промежутки, достаточные для их ускорения и достижения максимальной скорости метания, при этом дополнительное тело или несколько дополнительных тел размещают соосно с кумулятивной облицовкой на расстоянии от ее внешней поверхности, достаточным для ускорения до максимальной скорости сжатия и метания материала кумулятивной облицовки, при этом дополнительное тело или несколько дополнительных тел изготавливают из инертного материала с плотностью не более плотности материала кумулятивной облицовки, причем плотность материала дополнительных тел уменьшается с увеличением расстояния от внешней поверхности кумулятивной облицовки;

кроме того, дополнительное тело изготавливают из материала с плотностью материала не менее плотности материала кумулятивной облицовки, со сквозным отверстием и с внутренним диаметром не менее внешнего диаметра кумулятивной облицовки, с внутренней конической или иной формой поверхности выполняют с уменьшением его внутреннего диаметра в направлении движения формируемой кумулятивной струи и размещают соосно и параллельно основанию кумулятивной облицовки, взаимодействует с метаемой кумулятивной облицовкой и в процессе ее скольжения по внутренней поверхности полого дополнительного тела, преобразуют осевую составляющую скорости метания кумулятивной облицовки в ее радиальную составляющую скорости сжатия;

кроме того, одновременно изменяют и преобразуют направление движения и форму фронта волны детонации в заряде взрывчатого вещества, сформированной инициатором, например в кольцевую детонационную волну, сходящуюся на ось симметрии заряда, или в детонационную волну с плоским волновым фронтом, распространяющуюся вдоль оси симметрии заряда с фронтом, перпендикулярным оси симметрии заряда.

Достоинством способа является то, что масса кумулятивной струи достигает не менее 80% от массы кумулятивной облицовки и, как следствие, достигаются большие диаметры кумулятивной струи и отверстия в перфорированной скважине, при этом диаметр песта (низкоскоростной части кумулятивной струи, не участвующей в процессе перфорации) составляет менее диаметра струи или полностью отсутствует, что исключает закупоривание перфорированного отверстия, более высокая максимальная скорость кумулятивной струи и более высокий градиент скорости струи позволяет увеличить глубину перфорации преграды в 1.2-1.5 раз.

Недостатками способа является недостаточная эффективность перфорации скважины.

Задачей предлагаемого изобретения является достижение технического результата - дальнейшее повышение эффективности вторичного вскрытия продуктивных пластов за счет использования сдвоенных гиперкумулятивных зарядов и пробития более глубоких каналов с большим диаметром в перфорируемой скважине. Использование сдвоенных гиперкумулятивных зарядов в перфораторах позволит гарантированно образовать в пласте сетки трещин и обеспечить гидродинамическую связь скважины с продуктивным пластом при больших зонах загрязнения прискважинной зоны пласта.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе перфорации скважины сдвоенными кумулятивными зарядами, заключающемся в том, что соосно располагают в общем герметичном корпусе два разнесенных в пространстве между собой кумулятивных заряда, производят инициирование зарядов взрывчатого вещества с выемками с торца заряда, расположенного с противоположной стороны расположения выемки в заряде, облицовку выемки металлическими оболочками, при этом первым инициируется заряд, установленный дальше или ближе к преграде, и с задержкой по времени, изменяющейся в интервале от 0 до времени, равного не менее времени формирования первой кумулятивной струи, в инициировании второго кумулятивного заряда и формированием двух кумулятивных струй, двигающихся соосно одна за другой, осуществляющих последовательное пробитие преграды, при этом в процессе метания и сжатия кумулятивной оболочки дополнительно воздействуют на кумулятивную оболочку за счет принудительного взаимодействия кумулятивной оболочки с одним или несколькими дополнительными телами, их соударения и скольжения частей материала кумулятивной оболочки относительно дополнительного тела с одновременным разворотом частей материала кумулятивной оболочки на угол схождения на ось симметрии заряда более 180 градусов и не превышающий 360 градусов, соударения частей материала кумулятивной оболочки на оси симметрии заряда под углом более 180 градусов и не превышающим 360 градусов, согласно изобретению первый сынициированный заряд формирует кумулятивную струю с максимальными градиентом скорости и скорости головной части кумулятивной струи, обеспечивающую кратер с формой, близкой к цилиндрической, и диаметром кратера в преграде более максимального диаметра второй сформированной кумулятивной струи, второй сынициированный заряд формирует кумулятивную струю с максимальной скоростью головной части не более минимальной скорости конца первой кумулятивной струи и величиной минимальной скорости не менее критической скорости для данного материалов струи и преграды.

Такая совокупность признаков неизвестна в литературе для решения поставленной задачи.

При вскрытии продуктивных пластов в нефтяных и газовых скважинах существует проблема увеличение диаметра и глубины перфорационного канала для увеличения эффективности вторичного вскрытия пластов.

Известно, что глубина перфорационного отверстия в преграде при скоростях взаимодействия кумулятивной струи, превышающих критическую скорость, определяется соотношением [Вицени Е.М. Кумулятивные перфораторы, применяемые в нефтяных и газовых скважинах. М.: Недра, 1971, 144 с., с.20-24]:

где L - глубина перфорационного отверстия в преграде, l - длина кумулятивной струи, ρ_c - плотность материала кумулятивной струи, ρ_np - плотность материала преграды.

Длина кумулятивной струи пропорциональна ее градиенту скорости вдоль струи, диаметру струи и ограничивается пластическими возможностями материала, из которого она формируется [Вицени Е.М. Кумулятивные перфораторы, применяемые в нефтяных и газовых скважинах. М.: Недра, 1971, 144 с.].

В тоже время известно, что существует некая критическая скорость кумулятивной струи, менее которой струя не будет пробивать преграду. Эта скорость зависит от соотношения плотностей струи и преграды, их прочности и т.д. Например, для стальной кумулятивной струи, пробивающей стальную преграду, критическая скорость должна быть не менее 2.1-2.2 км/с.

Максимальная скорость конденсированной кумулятивной струи, которая может быть достигнута в «классических» кумулятивных зарядах с углами соударения материала облицовки на оси симметрии заряда при формировании кумулятивной струи менее 180 градусов, составляет [Физика взрыва/Под ред. Л.П. Орленко. М.: Физматлит, т.2, 2002, 656 с., с.200]:

где c_o скорость звука в материале кумулятивной облицовки.

Так же хорошо известно, что скорость кумулятивной струи возрастает с уменьшением угла раствора кумулятивной облицовки, при соответствующем уменьшении массы струи и возрастании массы песта. Масса сформированной кумулятивной струи в классических зарядах составляет 10-15% от массы облицовки, из которой она сформирована. Большие размеры песта приводят к закупориванию перфорируемого отверстия и нарушению гидродинамической связи скважины с продуктивным пластом.

При этом диаметр перфорационного отверстия в преграде может быть оценен из соотношения [Вицени Е.М. Кумулятивные перфораторы, применяемые в нефтяных и газовых скважинах. М.: Недра, 1971, 144 с., с.20-24]:

где d_вх - диаметр входного отверстия в преграде, d_c - диаметр кумулятивной струи, V_c - скорость кумулятивной струи, H - прочностная характеристика преграды.

Таким образом, диаметр перфорируемого отверстия в преграде пропорционален диаметру (массе) и скорости формируемой кумулятивной струи, а глубина перфорационного отверстия пропорциональна длине кумулятивной струи и объем перфорационного кратера пропорционален энергии кумулятивной струи (диаметру и скорости) и обратно пропорционален характеристике прочности материала преграды.

Так как максимальная скорость формируемой кумулятивной струи, при углах схождения материала облицовки менее 180° ограничена в соответствии с выражением (2) и она составляет величину порядка скорости детонации взрывчатого вещества, а минимальная - величиной критической скорости, то длина формируемой кумулятивной струи в кумулятивном заряде на заданном фокусном расстоянии ограничена, что приводит к уменьшению суммарной длины струи в сдвоенных зарядах и невысокой эффективности пробития преграды.

Кроме того, как показали физические и вычислительные эксперименты, геометрические параметры первичного кратера, пробитого первой сформированной кумулятивной струей, и параметры второй сформированной кумулятивной струи могут приводить к тому, что длина второй струи расходуется на уже пробитый предварительный кратер и эффекта суммирования глубины кратера не возникает.

В гиперкумулятивных зарядах [Патент РФ №2412338] могут формироваться кумулятивные струи с максимальными скоростями значительно выше, чем в «классических» кумулятивных зарядах, для которых справедливо ограничение максимальной скорости по выражению (2), и массой, достигающей 80% массы облицовки. Максимальные скорости струи могут превышать 20-25 км/с, при минимальной скорости 6-9 км/с с плотностью материала струи порядка плотности материала облицовки, из которой она сформирована. В соответствии с выражением (3) такие кумулятивные струи могут обеспечивать большие диаметр и глубину перфорационного отверстия в преграде.

Большие масса (диаметр) кумулятивной струи и градиент скорости вдоль ее длины позволяет формировать более длинные кумулятивные струи, что в соответствии с выражением (1) означает достижение более высоких значений глубины пробития преграды. Кроме того, одинаковые максимальные скорости головной части кумулятивной струи в кумулятивном заряде, в котором обеспечивается угол схождения материала облицовки более 180 градусов, обеспечивается для облицовок с большим углом раскрытия, чем в кумулятивном заряде, в котором обеспечивается угол схождения материала облицовки менее 180 градусов. Этим достигаются меньшие продольные размеры перфораторов со сдвоенными гиперкумулятивными зарядами последовательного действия, чем с «классическими» кумулятивными зарядами.

Сущность изобретения заключается в том, что соосно располагают в общем герметичном корпусе два разнесенных в пространстве между собой кумулятивных заряда. В инициировании зарядов взрывчатого вещества инициировании зарядов взрывчатого вещества с выемками с торца заряда, расположенного с противоположной стороны расположения выемки в заряде. Облицовки выемок в заряде взрывчатого вещества металлическими оболочками. Инициировании первым заряда, установленного дальше или ближе к преграде, и с задержкой по времени, изменяющейся в интервале от 0 до времени, равного не менее времени формирования первой кумулятивной струи в кумулятивном заряде инициировании второго кумулятивного заряда. При этом в процессе метания и сжатия кумулятивной оболочки продуктами детонации взрывчатого вещества дополнительно воздействуют на кумулятивную оболочку за счет принудительного взаимодействия кумулятивной оболочки с одним или несколькими дополнительными телами, их соударения и скольжения частей материала кумулятивной оболочки относительно дополнительного тела с одновременным разворотом частей материала кумулятивной оболочки на угол схождения на ось симметрии заряда более 180 градусов и соударения частей материала кумулятивной оболочки на оси симметрии заряда под углом более 180 градусов. Формированием в кумулятивных зарядах двух кумулятивных струй, двигающихся одна за другой по оси симметрии заряда и осуществляющих последовательное пробитие преграды. Первый сынициированный заряд формирует кумулятивную струю с максимальными градиентом скорости и скорости головной части струи, обеспечивающую диаметр кратера в преграде не менее максимального диаметра второй сформированной кумулятивной струи. Второй сынициированный заряд формирует кумулятивную струю с максимальной скоростью головной части не более минимальной скорости конца первой кумулятивной струи и величиной минимальной скорости не менее критической скорости для данного материалов струи и преграды.

На фиг.1 изображен процесс пробития преграды кумулятивными струями, сформированными в перфораторе со сдвоенными гиперкумулятивными зарядами последовательного действия, созданный по донноголовному (а) и головодонному (б) типам; на фиг.2-3 - процесс формирования кумулятивных струй в перфораторе со сдвоенными гиперкумулятивными зарядами последовательного действия.

Первым срабатывает кумулятивный заряд 1 и формирует высокоскоростную кумулятивную струю 3, затем срабатывает второй кумулятивный заряд 2 и формирует вторую кумулятивную струю 5, которая движется соосно со струей 3 за ней.

Высокоскоростная кумулятивная струя большого диаметра 3, сформированная в первом гиперкумулятивном заряде 1 перфоратора, пробивает в преграде отверстие 4 с формой, близкой к цилиндрической, и диаметром d₁ более максимального диаметра кумулятивной струи d₂ 5, формируемой во втором гиперкумулятивном заряде 2, расположенном соосно с первым. Как показали проведенные вычислительные и натурные эксперименты в этом случае вторая струя 5 может проходить через первичный кратер 4 без нарушения своей целостности. При диаметре отверстия d₁ в преграде 4 менее максимального диаметра кумулятивной струи d₂ 5, формируемой во втором гиперкумулятивном заряде 2, происходит пробитие преграды как без отверстия и эффекта увеличения глубины перфорации скважины от двух последовательно расположенных гиперкумулятивных зарядов не возникает. При диаметре отверстия d₁ в преграде 4, равного максимальному диаметру кумулятивной струи d₂ 5, формируемой во втором гиперкумулятивном заряде 2, происходит эффект «намазывания» части материала кумулятивной струи 5 на стенки кратера 4 и эффект увеличения глубины перфорации скважины от двух последовательно расположенных гиперкумулятивных зарядов становится нестабильным.

Максимально возможная скорость в формируемой головной части первой гиперкумулятивной струи 3 V_1г необходима для достижения диаметра кратера 4 d₁ более максимального диаметра d₂ последующей кумулятивной струи 5 и достижения максимальной длины кумулятивной струи при заданном фокусном расстоянии (расстояния от основания кумулятивной облицовки до преграды) гиперкумулятивного заряда в ограниченных условия скважины. Этим достигается максимально возможная глубина пробития преграды. Кроме того, уменьшается время задержки детонации между первым и вторым зарядами и может составлять малую величину или быть просто нулевой. В целом, время срабатывания перфоратора со сдвоенными гиперкумулятивными зарядами практически не увеличивается по сравнению со временем срабатывания перфоратора с одиночным кумулятивным зарядом. Отсутствие песта в таком заряде предотвращает закупоривание перфорированного отверстия и повышает эффективность перфорации скважины второй сформированной кумулятивной струи.

С задержкой по времени, изменяющейся в интервале от 0 до времени, равного не менее времени формирования первой кумулятивной струи 3 в гиперкумулятивном заряде 1, инициируется второй гиперкумулятивный заряд 2. Этим достигается выполнение условия не разрушения второй сформированной кумулятивной струей 5 первого гиперкумулятивного заряда 1 и пробития хвостового участка первой кумулятивной струи 3.

Максимальная скорость второй сформированной кумулятивной струи 5 V_2г составляет не более минимальной скорости конца первой кумулятивной струи V_1к 3 и величиной минимальной скорости V_2к не менее величины критической скорости V_кр для данных материалов струи и преграды. Фокусное расстояние для второго гиперкумулятивного заряда 2 увеличивается на величину глубины кратера, пробитого первой струей 3, что позволяет еще сильнее увеличить длину второй струи 5 за счет ее градиента скорости и увеличить эффективность перфорации скважины. Выполнение этих условий позволяет получить максимальную длину кумулятивной струи, совершающей полезную работу по пробитию преграды, увеличить суммарную длину кумулятивной струи от двух зарядов, предотвратить пробитие второй струей первой струи и увеличить эффективность перфорации скважины с глубиной, равной сумме глубин кратеров, пробитых первым и вторым гиперкумулятивными зарядами.

В качестве узла задержки инициирования второго гиперкумулятивного заряда относительно первого можно использовать, например, метаемую с торца первого заряда пластины и вызывающей при ударе о торец заряда взрывчатого вещества второго заряда его детонацию при построении перфоратора по донноголовной схеме [Патент США №4004515], когда первым инициируется заряд, находящийся дальше от преграды, или использованием многокомпонентных сред с низкой скоростью звука [Ляхов Г.М. Отражение и преломление ударных волн в многокомпонентных средах и в воде. Известия АН СССР, ОТН механика и машиностроение N5, 1959 г., с.58-63], или с помощью детонирующего шнура различной длины [Патент США №335870, кл. 175-4.5] для головодонной схемы, когда первым инициируется заряд, находящийся ближе к преграде, и т.п.

Пример осуществления способа.

Для повышения эффективности вторичного вскрытия продуктивных пластов в герметичном корпусе перфоратора соосно располагают два кумулятивных заряда, выполненных в соответствии с рекомендациями патента [Патент РФ №241338]. Первый кумулятивный заряд формирует сверхскоростную кумулятивную струю, создающую в преграде отверстие с диаметром более диаметра второй кумулятивной струи и с формой, близкой к цилиндрической, при этом скорость конца первой кумулятивной струи более максимальной скорости второй кумулятивной струи. А минимальная скорость второй кумулятивной струи более критической для данного материала преграды. Облицовка первого кумулятивного заряда может быть выполнена, например, из алюминия, в облицовка второго кумулятивного заряда может быть выполнена из более тяжелых металлов, например тантала.

На фиг.2 показана постановка задачи и последовательный процесс формирования кумулятивной струи в перфораторе со сдвоенными гиперкумулятивными зарядами последовательного действия, функционирование первого кумулятивного заряда. На фиг.2a показана постановка задачи для первого кумулятивного заряда, формирующего высокоскоростную струю. Здесь 6 - заряд взрывчатого вещества, 7 - железная облицовка вспомогательного заряда с медным диском формирователем 8, 9 - алюминиевая цилиндрическая облицовка основного заряда.

На фиг.2б показан момент схлопывания облицовки на ось симметрии, перед началом образования кумулятивной струи. Схлопывание элементов основной облицовки происходит на начальный момент времени под углом 180 градусов, что дает максимальные давления для образования кумулятивной струи. На приведенном графике показано распределение давления в момент соударения элементов вещества струй по оси симметрии и по ее радиусу, указанные координатными осями. Это давление сдерживается материалом сложного формирователя, передающего V_z импульс веществу основной облицовки, веществом облицовки, втекающего на ось симметрии и готового образовывать кумулятивную струю.

К моменту времени 8.2 мкс после начала детонации заряда образовалась сверхскоростная кумулятивная струя, фиг.2в с максимальной скоростью более 21 км/с и плотностью материала на оси симметрии в голове струи и по ее длине, близкой к нормальной плотности алюминия. Область, ранее занимаемая высоким давлением, вытеснена из потока вещества, втекающего в струю, и образовала пест, через который продолжает передавать энергию вещество сложного формирователя.

На время 13 мкс (фиг.2 г) практически все вещество кумулятивной облицовки перешло в струю, кроме этой начальной области. Она имеет пониженную V_z скорость и постепенно увеличивает ее за счет более высокой скорости струи. На фиг.2г приведена картина течения в конце рассматриваемого процесса. Скорость конца кумулятивной струи достаточно высока - она более 7 км/с.

Таким образом, формируется первая высокоскоростная струя, создающая кратер в мишени большого диаметра с формой, близкой к цилиндрической. Высокий градиент скорости вдоль сформированной кумулятивной струи позволяет растянуть струю в полете и эффективно использовать ее для пробития преграды на малых фокусных расстояниях заряда.

В качестве второго кумулятивного заряда рассмотрим заряд, выполненный в соответствии с рекомендациями патента [Патент РФ №2412338] с танталовой основной облицовкой. На фиг.3а приведена постановка задачи. Здесь 6 - заряд взрывчатого вещества, 10 - формирователь из вольфрама, 11 - вспомогательная облицовка из железа, 12 - основная кумулятивная облицовка из тантала. Через 6.2 мкс с момента детонации заряда вспомогательная облицовка из железа получила осевую компонента скорости, равную 2.496 км/с от продуктов детонации заряда BB, и начинает передавать свой импульс основной кумулятивной облицовке из тантала, фиг.3б. На этот момент времени продукты детонации BB еще не полностью передали свой импульс вспомогательной облицовке, о чем свидетельствует повышенная скорость продуктов детонации, на приведенном графике распределения осевой скорости. Скорость продуктов детонации выше, чем скорость материала вспомогательной облицовки. При взаимодействии материалов вспомогательной и основной облицовок материал основной облицовки начинает свое движение. Через 8.2 мкс с момента детонации заряда материал основной облицовки из тантала приобретает осевую компоненту скорости около 1.8 км/с, фиг.3в. На фигуре приведены графики распределения осевой скорости. Детонация заряда закончилась через 7 мкс после его инициирования, а вспомогательная облицовка еще не полностью передала импульс основной кумулятивной облицовке. Через 13.2 мкс с момента детонации заряда началось образование кумулятивной облицовки, выполненной из тантала, фиг.3г. Начальная скорость кумулятивной струи из тантала равна 7.5 км/с. Материал вспомогательной железной облицовки плотно охватывает поверхность сжимающейся основной облицовки из тантала с осевой скоростью от 2 до 1.5 км/с. Спустя 27.2 мкс после детонации заряда продолжает формироваться кумулятивное тело - струя. За счет градиента скорости вдоль кумулятивной струи она удлиняется. В головной части кумулятивной струи произошел откол материала, и скорость головной части струи уменьшилась до величины, равной 6.28 км/с. Диаметр песта из тантала меньше диаметра формируемой кумулятивной струи. Материал вспомогательной облицовки плотно прилегает к поверхности песта и распределяется вдоль пестовой части кумулятивной струи, фиг.3д. Через 48.8 мкс с момента детонации заряда процесс формирования кумулятивной струи заканчивается, материал вспомогательной облицовки собирается вокруг танталового песта и практически не превышает диаметра песта, фиг.3е. Формирователь из вольфрама разрушен материалом песта и его внешний диаметр не превышает максимальный диаметр сформированной кумулятивной струи.

Подобрав параметры первого и второго кумулятивных зарядов, материал и форму кумулятивной облицовки, материал и форму формирователей и т.д., можно получить высокоскоростную массивную кумулятивную струю, состоящую из нескольких материалов с непрерывным плавным градиентом скорости, создающую кратер в преграде большого диаметра и осуществляющую суммирование пробития от каждого кумулятивного заряда. В этом кумулятивном взрыве сформировался тяжелый танталово-железный стержень для перфорации скважины.

Таким образом, решается задача дальнейшего повышения эффективности вторичного вскрытия продуктивных пластов за счет использования сдвоенных гиперкумулятивных зарядов и пробития более глубоких каналов с большим диаметром в перфорируемой скважине. Использование сдвоенных гиперкумулятивных зарядов в перфораторах позволит гарантированно образовать в пласте сетки трещины и обеспечить гидродинамическую связь скважины с продуктивным пластом при больших зонах загрязнения прискважинной зоны пласта.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к способам вскрытия продуктивных пластов в нефтяных скважинах. Способ перфорации скважины заключается в соосном расположении в общем герметичном корпусе двух разнесенных в пространстве между собой кумулятивных зарядов, инициировании зарядов взрывчатого вещества с выемками с торца заряда, расположенного с противоположной стороны расположения выемки в заряде, облицовке выемок металлическими оболочками. Первым инициируют заряд, установленный дальше или ближе к преграде с задержкой по времени, изменяющейся в интервале от 0 до времени, равного не менее времени формирования первой кумулятивной струи в кумулятивном заряде. Инициируют второй кумулятивный заряд формированием двух кумулятивных струй, двигающихся соосно одна за другой по оси симметрии заряда и осуществляющих последовательное пробитие преграды. В процессе метания и сжатия кумулятивной оболочки дополнительно воздействуют на кумулятивную оболочку за счет принудительного взаимодействия кумулятивной оболочки с одним или несколькими дополнительными телами, их соударения и скольжения частей материала кумулятивной оболочки относительно дополнительного тела с одновременным разворотом частей материала кумулятивной оболочки на угол схождения на ось симметрии заряда более 180 градусов и не превышающий 360 градусов, соударения частей материала кумулятивной оболочки на оси симметрии заряда под углом более 180 градусов и не превышающим 360 градусов. Первый сынициированный заряд формирует кумулятивную струю с максимальными градиентом скорости и скорости головной части кумулятивной струи, обеспечивающую кратер с формой, близкой к цилиндрической, и диаметром кратера в преграде более максимального диаметра второй сформированной кумулятивной струи. Второй сынициированный заряд формирует кумулятивную струю, двигающуюся с максимальной скоростью головной части не более минимальной скорости конца первой кумулятивной струи и величиной минимальной скорости не менее критической скорости для данных материалов струи и преграды. Обеспечивается повышение эффективности вторичного вскрытия продуктивных пластов. 3 ил.

Способ перфорации скважины сдвоенными гиперкумулятивными зарядами, заключающийся в соосном расположении в общем герметичном корпусе двух разнесенных в пространстве между собой кумулятивных зарядов, инициировании зарядов взрывчатого вещества с выемками с торца заряда, расположенного с противоположной стороны расположения выемки в заряде, облицовки выемок металлическими оболочками, при этом первым инициируют заряд, установленный дальше или ближе к преграде и с задержкой по времени, изменяющейся в интервале от 0 до времени, равного не менее времени формирования первой кумулятивной струи в кумулятивном заряде, инициируют второй кумулятивный заряд формированием двух кумулятивных струй, двигающихся соосно одна за другой по оси симметрии заряда и осуществляющих последовательное пробитие преграды, при этом в процессе метания и сжатия кумулятивной оболочки дополнительно воздействуют на кумулятивную оболочку за счет принудительного взаимодействия кумулятивной оболочки с одним или несколькими дополнительными телами, их соударения и скольжения частей материала кумулятивной оболочки относительно дополнительного тела с одновременным разворотом частей материала кумулятивной оболочки на угол схождения на ось симметрии заряда более 180 градусов и не превышающий 360 градусов, соударения частей материала кумулятивной оболочки на оси симметрии заряда под углом более 180 градусов и не превышающим 360 градусов, отличающийся тем, что первый сынициированный заряд формирует кумулятивную струю с максимальными градиентом скорости и скорости головной части кумулятивной струи, обеспечивающую кратер с формой, близкой к цилиндрической, и диаметром кратера в преграде более максимального диаметра второй сформированной кумулятивной струи, второй сынициированный заряд формирует кумулятивную струю, двигающуюся с максимальной скоростью головной части не более минимальной скорости конца первой кумулятивной струи и величиной минимальной скорости не менее критической скорости для данных материалов струи и преграды.