Кумулятивный перфоратор Российский патент 2024 года по МПК E21B43/117 

Предлагается корпусный кумулятивный перфоратор однократного использования для прострелочно-взрывных работ в скважинах, вторичного вскрытия прискважинной зоны пласта.

Известны кумулятивные одноразовые перфораторы, корпус которых выполнен из насосно-компрессорных труб, в которых размещены кумулятивные заряды и средства взрывания: CM.vnipivzryv.ru, https://docplayer.ru/38611083-Perforacionnye-sisterny-hsdr-katalog-produkcii.html. Перфораторы могут иметь гладкий корпус либо корпус с цилиндрическими глухими выборками, расположенными напротив кумулятивных зарядов. Недостатком этих перфораторов является опасность потери устойчивости корпуса при рабочих давлениях, так как длина корпуса превосходит критическую длину оболочки, работающей при совместном действии наружного давления и осевой силы, см. Нормы расчета на прочность... ПНАЭГ-7-002-86. Опасность потери устойчивости перфоратора возрастает при использовании корпусов с цилиндрическими выборками при попарном расположении зарядов (перфораторы «Спарка») и расположении кумулятивных зарядов в одной плоскости.

Перфораторы, CM.vnipivzryv.ru, https://docplayer.ru/38611083-Perforacionnye-sisterny-hsdr-katalog-produkcii.html, наиболее близки к заявляемой конструкции, отличающейся тем, что, с целью повышения допускаемого рабочего давления при проведении прострелочно-взрывных работ, корпус перфоратора снабжен бандажными кольцами, расположенными между зарядами, на расстояниях, кратных расстояниям между ними и меньших критической длины корпуса.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3 и табл.1, 2. В качестве реализации конструктивного исполнения перфоратора с бандажными кольцами рассмотрен кумулятивный перфоратор ∅89×9,35. Расстояния между кумулятивными зарядами, l₃=50 мм.

На фиг.1 показан корпус перфоратора с бандажными кольцами, установленными между кумулятивными зарядами. Где: 1 - корпус перфоратора, 2 - кольца бандажные с канавками, в которых размещены уплотнительные кольца 2.1, 8 - кумулятивные заряды и средства взрывания, 9 - наконечник перфоратора, 10 - кабельный наконечник/взрывная головка.

Кольца бандажные расположены между кумулятивными зарядами с межосевыми расстояниями L. Расстояния L кратны расстояниям между кумулятивными зарядами l₃. В зонах расположения кумулятивных зарядов корпус может быть гладким или с цилиндрическими глухими выборками. Кольца бандажные устанавливают на корпус перфоратора путем их гидростатического обжатия. Размеры бандажных колец: D_к ≤ 0,5⋅(D_cкв+D_п); l_к=(0,5÷0,7)l₃.

Где: D_к - наружный диаметр бандажного кольца,

D_п - наружный диаметр корпуса кумулятивного перфоратора, D_ckb - внутренний диаметр обсадной колонны,

L_к- длина бандажного кольца,

L₃- расстояние между кумулятивными зарядами.

На фиг. 2 представлена технология установки бандажных колец на корпус перфоратора. Где: 1 - корпус перфоратора, 2 - кольцо бандажное с кольцами уплотнительными 2.1, 3 - втулка технологическая с заглушкой 3.1 и кольцом уплотнительным 3.2, 4 - экран, 5 - фиксатор, 6 - вода, 7 - сухой лед. Бандажные кольца устанавливают на корпус перфоратора последовательно, начиная с нижнего кольца:

1. Корпус перфоратора 1 устанавливают в вертикальное положение.

2. В нижней части корпуса закрепляют фиксатор 5.

3. Устанавливают кольца уплотнительные 2.1 и 3.2 в кольцо бандажное 2 и втулку технологическую 3.

4. Надевают на корпус перфоратора 1 кольцо бандажное 2 и втулку технологическую 3.

5. Заполняют втулку технологическую 3 водой 6.

6. Заворачивают заглушку 3.1.

7. На втулку технологическую 3 устанавливают экран 4.

8. Заполняют зазор между втулкой технологической 3 и экраном 4 сухим льдом 7.

9. Втулка технологическая 3 охлаждается - вода 6 превращается в лед. Происходит гидростатическое обжатие бандажного кольца 2.

10. После обжатия бандажного кольца с корпуса перфоратора 1 снимают экран 4, технологическую втулку 3 и фиксатор 5.

Установку последующих бандажных колец производят по такой же технологической процедуре.

Бандажные кольца, установленные на корпусе перфоратора, превращают его в тонкостенную оболочку с ребрами жесткости. Это позволяет избежать опасности потери устойчивости корпуса перфоратора при проведении прострелочно-взрывных работ в скважинах. Уплотнительные кольца 2.1 бандажного кольца 2 герметизируют зазор между корпусом перфоратора и бандажным кольцом, превращая эту зону в двухслойную оболочку. При этом, уровень рабочих напряжений на внутренней поверхности корпуса существенно снижается.

На фиг. 3 приведены данные прочностного расчета, перфоратора ∅89×9,35 и уровни допускаемых рабочих давлений при проведении прострелочно-взрывных работ. Где: р - рабочее давление; [р]_м, [р]_р - допускаемое рабочее давление для перфораторов с бандажными кольцами, группа прочности материала - М и Р, соответственно;

р_а - допускаемое рабочее давление для перфораторов с гладким корпусом (без бандажных колец);

- предельное рабочее давление для корпуса перфоратора с бандажными кольцами: 1,2 - межосевые расстояния между кольцевыми насадками L=200 и 250 мм, соответственно; - расчетные значения эквивалентных напряжений на внутренней поверхности корпуса перфоратора в зоне кумулятивных зарядов, σ_экв;

- минимальный предел текучести, σ₀₂ и диапазон изменения предела текучести материала группы М; - минимальный предел текучести, σ₀₂ и диапазон изменения предела текучести материала группы Р.

В табл. 1 представлены данные упругого расчета на устойчивость перфоратора ∅89×9,35 в соответствии с рекомендациями, см. Нормы расчета на прочность… ПНАЭГ-7-002-86. В табл. 2 - данные прочностного расчета.

Как видно из табл. 1, для перфоратора ∅089×9,35критическая длина корпуса без бандажных колец составляет, Lkr=279 мм. Длина корпуса перфоратора - 1000 мм. Корпус теряет устойчивость при давлении, р_а=110 МПа, см. табл.1. При этом эквивалентные напряжения на внутренней поверхности гладкого корпуса, σэкв=517 МПа, что существенно ниже предела текучести материала, см. фиг. 3. Как видно из фиг. 3, допускаемое рабочее давление для перфоратора с бандажными кольцами зависит от уровня эквивалентных напряжений на внутренней поверхности корпуса и группы прочности материала, см. ГОСТР55779-2013. Допускаемое рабочее давление [р]_м и [р]_р для перфоратора ∅89×9,35 с бандажными кольцами при использовании материалов групп М и Р равно: 164 и 200 МПа. Допускаемое рабочее давление соответствует минимальным значениям предела текучести материала. Как видно из графиков, этот подход консервативен. При селективном подборе корпусов перфораторов по пределу текучести материала, см. ГОСТР55779-2013, максимальное рабочее давление может быть существенно выше допускаемого, р_max>[р]_м ([р]_р), см. фиг.3.

Наличие бандажных колец, установленных на корпусе перфоратора с шагом L=200 и 250 мм, приводит к существенному повышению предельного рабочего давления, до 300 и 250 МПа, соответственно. В этих условиях осевые напряжения не оказывают существенного влияния на устойчивость корпуса перфоратора, см. табл. 1. Потеря устойчивости корпуса возможна при эквивалентных напряжениях, превышающих предел текучести материала, σ_экв>а_0,2. Допускаемое рабочее давление для перфоратора с бандажными кольцами зависит от механических свойств материала. Оно существенно выше допускаемого рабочего давления, при котором перфоратор с гладким корпусом (без бандажных колец) теряет устойчивость, [р_а]_м ([р_а]_р)>р_а. Как видно из графиков, см. фиг. 3, 3-х бандажных колец, установленных с шагом L=250 мм (длина корпуса 1000 мм) достаточно, чтобы предотвратить потерю устойчивости корпуса перфоратора.

В табл. 2 приведен расчет напряженно-дефармированного состояния материала в гладкой части корпуса для перфоратора ∅89×9,35. Эти данные использованы при построении графиков, см. фиг. 3.

Расчет на устойчивость и прочностной расчет перфоратора ∅89×9,35 позволяют сделать вывод, что использование бандажных колец предотвращает потерю устойчивости корпуса перфоратора при рабочем давлении р>р_а.

Изобретение относится к технике прострелочно-взрывных работ в скважинах с использованием корпусных кумулятивных перфораторов. Кумулятивный перфоратор содержит корпус, кумулятивные заряды и средства взрывания. Корпус перфоратора снабжен бандажными кольцами, расположенными между кумулятивными зарядами на расстояниях, кратных расстояниям между ними и меньших критической длины корпуса. Обеспечивается предотвращение потери устойчивости корпуса перфоратора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Кумулятивный перфоратор, содержащий корпус, кумулятивные заряды и средства взрывания, отличающийся тем, что корпус перфоратора снабжен бандажными кольцами, расположенными между кумулятивными зарядами на расстояниях, кратных расстояниям между ними и меньших критической длины корпуса.

2. Кумулятивный перфоратор по п. 1, отличающийся тем, что бандажные кольца установлены на корпус перфоратора путем гидростатического обжатия.

3. Кумулятивный перфоратор по п. 1, отличающийся тем, что в бандажных кольцах имеются канавки, в которых размещены уплотнительные кольца.