Перфоратор скважинный Российский патент 2018 года по МПК E21B43/117 

Изобретение относится к устройствам для добычи полезных ископаемых из буровых скважин, а именно к нефтегазовой промышленности, в частности к перфорации нефтяных и газовых скважин с применением кумулятивных перфораторов, предназначенных для создания каналов притока заколонных жидкостей и газов.

Известен кумулятивный перфоратор, содержащий каркас и размещенные в нем кумулятивные заряды (US №4747201).

Недостатком данного аналога является недостаточно высокая технологичность и сложность установки кумулятивных зарядов в отверстиях каркаса, обусловленная выполнением фиксации кумулятивных зарядов в отверстиях каркаса посредством дополнительных фиксаторов.

Известен кумулятивный перфоратор, содержащий корпус в виде трубы, в котором посредством деталей крепления установлены заряды в индивидуальных герметичных оболочках, выполненных из хрупкого материала: стекла, керамики, ситалла (SU №1607476).

Известное устройство включает ряд деталей, усложняющих конструкцию и сборку перфоратора. К таким деталям можно отнести детали крепления заряда в корпусе и сами герметичные оболочки зарядов, выполненные из хрупкого материала. При срабатывании перфоратора вышеперечисленные детали разрушаются и засоряют скважину. Применение индивидуальных герметичных оболочек значительно увеличивает габаритный размер заряда, что приводит к увеличению размера перфоратора. Долговечность (количество срабатываний) перфоратора не определена, что может привести к обрыву корпуса при отстреле (к аварии).

Известен кумулятивный перфоратор, содержащий несущий каркас в форме металлической трубы с посадочными местами, в которых расположены герметичные кумулятивные заряды, имеющие индивидуальную металлическую оболочку (индивидуальный корпус), шнур и средства инициирования, при этом размер посадочного места соответствует размеру оболочки заряда, а количество срабатываний перфоратора определено отношением количества и характеристик взрывчатого материала к совокупности прочностных и размерных характеристик трубы, из которой изготовлен несущий каркас перфоратора (RU 70929, прототип).

Недостатки известных из уровня техники перфораторов обусловлены следующим. Корпуса зарядов изготавливаются по отдельности, в основном из стали токарным способом или прессованием и их сочетанием. Производство трудоемкое, много отходов (при токарном до 70% металла идет в стружку). Заряды для безкорпусных перфораторов должны быть герметичными, поэтому сложны в изготовлении. Предусматривается изготовление несущих заряды каркасов (loading tube in English), которые необходимы для установки зарядов в корпусных перфораторах. В основном каркасы производятся технологией лазерной резки металла. Процесс очень дорогой, много отходов. Для изготовления несущего корпуса корпусных перфораторов используются трубы из толстостенной от 7 до 12 мм трубы из специальных дорогостоящих сталей. Требуется дорогое высокоточное оборудование и процесс нарезания специальных резьб для соединительных муфт, обеспечивающих герметичность перфораторов при использовании. Использование металла (в основном стали) для изготовления каждого индивидуального корпуса заряда обусловлено процессом прессования в него шашки ВВ - только металлический корпус выдерживает необходимые для этого усилия. В свою очередь, ввиду большого суммарного веса индивидуальных зарядов для их крепежа и опускания в скважину необходимо использование высокопрочных металлических труб с муфтами (адаптерами) для корпусных перфораторов или специального крепежа для безкорпусных перфораторов. Использование в известных конструкциях перфоратора толстостенной трубы обусловлено тем, что она должна выдержать (сохранить форму) давление взрыва кумулятивных зарядов в нем, чтобы была возможность извлечения после отстрела. При нарушении герметичности, а также ввиду брака при изготовлении или сборке, обычные корпусные перфораторы отказывают или, что еще хуже, разрываются, что делает очень сложным, а иногда невозможным их извлечение из скважины. Извлечение частично отказавших зарядов из отработавшего корпусного перфоратора также операция сложная и трудоемкая.

Задача, на решение которой направленно заявленное изобретение, заключается в создании конструкции кумулятивных перфораторов, увеличивающей эффективность их применения, позволяющей упростить их производство, расширить спектр технологий и материалов, применимых для их изготовления, снизить материалоемкость и количество комплектующих для их сборки. Предлагаемая конструкция перфоратора отвечает современным требованиям по производительности и безопасности их производства, хранения, транспортировки и применения. Конструкция предоставляет возможность раздельной, частичной или полностью в собранном виде транспортировку деталей и комплектных перфораторов к местам их применения. Конструкция предлагаемого перфоратора позволяет производить сборку и разборку как в местах их производства, так и на месте их применения, с возможностью повторного использования составляющих и их безопасной утилизации. Конструкция позволяет осуществить, при необходимости, увеличение плотности заряжания (количество зарядов на метр перфоратора).

Сущность изобретения состоит в том, что перфоратор содержит монолитный корпус с выполненными в нем перпендикулярно его продольной оси полостями, в каждой из которых герметично смонтированы части кумулятивного заряда, а также выполненный вдоль корпуса и соединенный через отверстия с этими полостями защитный канал, в котором размещен детонирующий шнур, баллистически соединенный через упомянутые отверстия с зарядами, причем шашка взрывчатого вещества каждого из зарядов закреплена непосредственно в полости корпуса и снабжена установленной в ней кумулятивной воронкой с наружной крышкой.

Как правило, каждый кумулятивный заряд снабжен усилителем передачи детонации, размещенным в отверстии корпуса, выполненном между полостью с кумулятивным зарядом и защитным каналом, закрытым снаружи герметизирующей прокладкой и втулкой с пазом.

В частных случаях реализации полость с кумулятивным зарядом, шашка взрывчатого вещества и кумулятивная воронка выполнены с формой сопрягаемых поверхностей из группы: конические, сферические.

В частных случаях реализации наружная крышка оперта на корпус и снабжена плоской прокладкой, в иных частных случаях реализации наружная крышка заряда оперта на кумулятивную воронку и снабжена радиальными кольцами круглого сечения.

В частных случаях реализации корпус выполнен цилиндрическим или многогранным из материала из группы: металл, керамика, стекло, полимерный материал.

В частных случаях реализации перфоратор выполнен составным из нескольких последовательно соединенных друг с другом корпусов.

На чертеже фиг. 1 изображен перфоратор с зарядом в сборе и россыпью, с уплотнительной прокладкой, на фиг. 2 - перфоратор с зарядом в сборе и россыпью, с уплотнением сальником, на фиг. 3 - разрез перфоратора через заряд в сборе.

Чертежи не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующим материалом частных случаев выполнения перфоратора.

Перфоратор содержит монолитный (цельный) корпус 6 (например, цельнометаллический, цельно пластиковый, из керамического материала и т.п.) для группы или всех зарядов, с выполненными непосредственно в нем и ориентированными перпендикулярно его продольной оси полостями 5, которые выполнены полностью непосредственно в материале корпуса 6 перфоратора, имеющего соответствующие размеры. В полостях 5 герметично установлены кумулятивные заряды: раздельно изготовленные (по «брикетной» технологии) взаимосопряженные конструктивные части кумулятивного заряда: крышка 1 кумулятивного заряда, герметизирующее уплотнение - эластичная уплотнительная прокладка 2 или уплотнительный сальник (кольца круглого сечения) 13, кумулятивная воронка 3, шашка 4 основного взрывчатого вещества (шашка ВВ). Кроме того, с диаметрально противоположной стороны в корпусе 6 (напротив полости 5) размещены усилитель 7 передачи детонации, герметизирующая эластичная уплотнительная прокладка 9, детонирующий шнур (кабель) 10 и втулка (клипса) 11 с пазом.

К каждому заряду подведен детонирующий шнур 10, размещенный в защитном канале 12, выполненном по наружной поверхности корпуса 6, и баллистически соединенный через отверстия 8 с шашкой 4 в полости 5. Шашка 4 взрывчатого вещества каждого из зарядов закреплена непосредственно в полости 5 корпуса 6 и снабжена установленной на ней кумулятивной воронкой 3 с наружной крышкой 1.

Полость 5 в корпусе 6 перфоратора, шашка 4 взрывчатого вещества и кумулятивная воронка 3 выполнены с плавно искривленными сопрягаемыми поверхностями. В частных случаях, полость 5 в корпусе 6 перфоратора, шашка 4 взрывчатого вещества и кумулятивная воронка 3 могут быть эквивалентно выполнены с коническими или сферическими сопрягаемыми поверхностями.

Заявляемая конструкция перфоратора реализуется при наличии заранее изготовленной шашки 4 ВВ, т.е. конструкция перфоратора основана на использовании заранее изготовленной шашки 4 ВВ. Шашка 4 выполняется из взрывчатого вещества, допускающего транспортирование и монтаж в готовом (спрессованом) состоянии.

Как правило, каждый заряд снабжен усилителем 7 передачи детонации, размещенным в отверстии 8 корпуса 6 между полостью 5 с шашкой 4 ВВ и каналом 12 с детонирующим шнуром 10, закрытым снаружи герметизирующей прокладкой 9 и втулкой 11 с пазом.

Наружная крышка 1 может опираться по периферии полкой (пояском) на корпус 6 через торцевую прокладку 2, в иных случаях реализации наружная крышка 1 опирается торцом (непосредственно или через дополнительную прокладку, которая не обозначена) на кумулятивную воронку 3, с герметизацией посредством радиальных колец - сальников 13.

Перфоратор может быть выполнен составным (сборным) из нескольких последовательно соединенных секций (корпусов 6) с образованием колонны.

Корпус 6 может быть цилиндрическим или многогранным, выполняется из материала из группы: металл, керамика, стекло, полимерный материал.

Сборка заряда в корпусе 6 перфоратора может производиться в любой последовательности, с противоположных по диаметру сторон корпуса 6 перфоратора. Со стороны установки частей кумулятивного заряда сборка производится в следующем порядке. В полость 5 корпуса 6 вкладывается шашка 4 взрывчатого вещества, во внутренний конус (или полусферу) шашки 4 вставляется коническая (или полусферическая) кумулятивная воронка 3, поверх воронки 3 устанавливается герметизирующая прокладка 2 из упругого (эластичного) материала, затем эти детали прижимаются и фиксируются в полости 5 корпуса 6 перфоратора крышкой 1 (фиг. 1).

Крышка 1 фиксируется в корпусе 6 с помощью резьбы или плотной (с подпрессовкой) посадки. В случае, если диаметр корпуса 6 перфоратора значительно больше высоты шашки 4 ВВ и кумулятивной воронки 3, возможно дополнительно применять для их фиксации в нем резьбовых или клиновых стопорных колец (не изображено). При этом, например, верхняя часть полости 5 корпуса 6 может быть выполнена с внутренней резьбой, а крышка 1 - с наружной резьбой. Для герметизации уплотнительная прокладка 2 устанавливается под полку крышки 1, выполненной ступенчатой (фиг. 1). Вместо прокладки 2 или дополнительно к ней возможно нанесение на стыковочные поверхности крышки 1 самоотверждаемых полимерных герметик-прокладок.

В иных случаях реализации заявляемого перфоратора внутренняя часть полости 5 корпуса 6 выполнена цилиндрической, а шашка 4 ВВ и воронка 3 фиксируются в корпусе 6 крышкой 1 с уплотнительными сальниками 13 (фиг. 2) на ее цилиндрической части. Кольцевые сальники (радиальные кольца круглого сечения) 13 выполняются из упругого (эластичного) материала с наружным диаметром, большим сопрягаемого с ними внутреннего диаметра полости 5. При установке крышки 1 они в сжатом состоянии фиксируют воронку 3 и шашку 4 ВВ, одновременно герметизируя их от внешней среды.

С противоположной по диаметру стороны в сквозное отверстие 8, соединяющее полость 5 и канал 12, вкладывается усилитель 7 передачи детонации, на уступ отверстия, соединяющего полость 5 и канал 12, укладывается герметизирующая прокладка 9, которая прижимается к корпусу 6 втулкой 11.

Втулка 10 может вкручиваться по резьбе или запрессовываться в корпус 6 перфоратора, предпочтительно, может дополнительно герметизироваться герметизирующей прокладкой 9. При предварительной установке паз втулки 11 устанавливается соосно каналу 12 под детонирующий шнур 10 в корпусе 6 перфоратора. Канал 12 имеет в корпусе 6 перфоратора в сечении размер несколько больший, чем детонирующий шнур 10, в результате чего при прокладке в нем шнура 10, обеспечивает его утопленное положение последнего для защиты от повреждения о стены обсадной колонны при опускании. Канал 12 может быть проложен по наружной поверхности корпуса 6 как по спирали, так и прямолинейно в зависимости от фазировки (углового положения) зарядов (детей 1-4), собранных в корпусе 6 перфоратора.

При этом корпус 6 выполняет (объединяет) функции каркаса, индивидуального корпуса заряда и общего корпуса перфоратора (трубы), тем самым, исключается изготовление отдельных зарядов перфоратора, как таковых, в специальных индивидуальных корпусах (т.е. индивидуальных металлических оболочках) и/или каркасов, а также ряда сложных промежуточных деталей, и выполнение соответствующих сборочных операций.

Использование заявляемого перфоратора производится обычным способом по его прямому назначению для перфорации скважин.

При инициировании с помощью шнура 10 зарядов взрывчатое вещество шашки 4 детонирует, выделяя тепло и образуя газы под большим давлением. Усилитель 7 передачи детонации обеспечивает передачу детонации от детонирующего шнура 10 к шашке 4 ВВ. В кумулятивных зарядах, при детонации ВВ, благодаря наличию воронки 3 образуется направленная струя с высокой ударной концентрацией, обеспечивающая пробивное действие на значительную глубину.

При необходимости, разборка перфоратора производится в обратном порядке путем откручивания в (случае резьбового крепления) или «поддеванием» за боковой торец (в случае запрессовки) крышки 1. Детали 2, 3, 4 извлекаются вручную с помощью легкого постукивания по корпусу 6 перфоратора при повороте.

В результате реализации настоящего технического решения может быть получен технический результат, обусловленный следующим.

1) Уменьшение габаритов, преимущественно, диаметра корпуса 6 перфоратора при сохранении плотности заряжания и массы шашки 4 ВВ заряда. Т.е. заряд для перфоратора диаметром 85-89 мм помещается в корпусе 6 диаметром, меньшим обычного на 20 мм, что позволяет использовать более мощные заряды в колоннах меньшего диаметра.

2) Исключается необходимость следующих материалорасходных и трудоемких процессов:

- изготовления отдельных корпусов зарядов, т.к. корпус 6 перфоратора является одновременно и корпусом заряда;

- упрощается и повышается надежность герметизации зарядов;

- упрощается процесс изготовления перфораторов, поскольку исключается изготовление индивидуальных корпусов, несущих заряды каркасов и несущей герметичной трубы, а также изготовление стальных герметичных муфт для соединения перфораторов. При необходимости использования муфт для соединения перфораторов, в том числе металлических, муфты уменьшаются в размерах и упрощаются конструктивно;

- для изготовления корпуса 6 заявленного перфоратора пригоден промышленный многогранный пруток или металлический круг соответствующего перфоратору диаметра. Процесс реализуется путем обработки на станках с ЧПУ, с закалкой металла и нанесением защитного покрытия, при необходимости. Облегчение веса перфоратора и отсутствие необходимости специальной герметизации перфоратора в целом позволяет упростить конструкцию и использовать различные доступные материалы для их изготовления.

3) Достигается снижение веса корпуса 6 и перфоратора в целом как минимум в два раза, в сравнении с обычным перфоратором с зарядами того же веса шашки 4 ВВ, что позволит значительно снизить как прямые затраты на материалы, так и косвенные затраты на перевозку, погрузоразгрузочные работы. Конструкция позволяет осуществить, при необходимости, увеличение плотности заряжания (количество зарядов на метр перфоратора) или сокращение длины корпуса при том же количестве зарядов.

4) Возможно применение для изготовления корпуса 6 перфоратора множества доступных современных материалов, например разнообразных легких металлов, сплавов, керамики, стекла, полимеров, что позволит резко снизить его вес.

5) Герметизация каждого заряда в отдельности в предложенной конструкции перфоратора позволяет снизить расход материала и отказаться от использования толстостенной трубы перфоратора.

Так как в предлагаемой конструкции перфоратора каждый заряд герметизируется по отдельности, разгерметизация (отказ) одного из них не приведет к отказу остальных, в отличие от известных корпусных перфораторов. Это снизит аварийность и повысит безопасность эксплуатации.

6) Доступно расширение спектра технологий, применимых для изготовления перфораторов. Кроме используемых технологий металлообработки, возможно изготовление корпуса 6 методом литья как под давлением, так и без, для расплавов металлов, жидких полимеров, стекла, вплоть до 3D печати из полимеров и керамики.

7) Возможность изготовления корпуса 6 перфоратора из материалов, разрушающихся в процессе подрыва (перфорации), без образования крупных осколков, например из стекла или керамики. Это позволит избежать операции подъема отстрелянного перфоратора и его утилизации.

Изобретение относится к области нефтегазодобычи. Перфоратор содержит монолитный корпус (6) с выполненными в нем перпендикулярно его продольной оси полостями (5), которые выполнены непосредственно в материале корпуса перфоратора. Непосредственно в полостях (5) герметично установлены раздельно изготовленные взаимно сопряженные конструктивные части кумулятивного заряда: наружная крышка (1) кумулятивного заряда, герметизирующее уплотнение - прокладка (2) или сальник, кумулятивная воронка (3), шашка (4) основного ВВ. Кроме того, в корпусе (6) размещены усилитель (7) передачи детонации, герметизирующая прокладка (9), детонирующий шнур (10) и втулка (11) с пазом. К каждому заряду подведен детонирующий шнур (10), размещенный в канале, выполненном по наружной поверхности корпуса и баллистически соединенный через отверстие (8) с шашкой (4) в полости (5). Шашка (4) взрывчатого вещества каждого из зарядов закреплена непосредственно в полости (5) корпуса и снабжена установленной на ней кумулятивной воронкой (3) с наружной крышкой (1). Обеспечивается увеличение эффективности применения устройства, упрощение его производства, расширение спектра технологий и материалов, применяемых для изготовления, снижение материалоемкости и количества комплектующих для их сборки. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Перфоратор, содержащий монолитный корпус с выполненными в нем перпендикулярно его продольной оси полостями, в каждой из которых герметично смонтированы части кумулятивного заряда, а также выполненный вдоль корпуса и соединенный через отверстия с этими полостями защитный канал, в котором размещен детонирующий шнур, баллистически соединенный через упомянутые отверстия с зарядами, причем шашка взрывчатого вещества каждого из зарядов закреплена непосредственно в полости корпуса и снабжена установленной в ней кумулятивной воронкой с наружной крышкой.

2. Перфоратор по п. 1, отличающийся тем, что каждый кумулятивный заряд снабжен усилителем передачи детонации, размещенным в отверстии корпуса, выполненном между полостью с кумулятивным зарядом и защитным каналом, закрытым снаружи герметизирующей прокладкой и втулкой с пазом.

3. Перфоратор по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что полость с кумулятивным зарядом, шашка взрывчатого вещества и кумулятивная воронка выполнены с формой сопрягаемых поверхностей из группы: конические, сферические.

4. Перфоратор по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что наружная крышка оперта на корпус и снабжена плоской прокладкой.

5. Перфоратор по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что наружная крышка заряда оперта на кумулятивную воронку и снабжена радиальными кольцами круглого сечения.

6. Перфоратор по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что его корпус выполнен цилиндрическим или многогранным из материала из группы: металл, керамика, стекло, полимерный материал.

7. Перфоратор по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он выполнен составным из нескольких последовательно соединенных друг с другом корпусов.