Устройство для перфорации буровых скважин Советский патент 1986 года по МПК E21B43/116 

Изобретение относится к устройствам с кумулятивными зарядами для ввода в эксплуатацию скважин, а именно к устройствам с несущей штангой, предназначенным для опускания в газовые скважины через насосно-ком- прессорную трубу с тем, чтобы несущая штанга затем была поднята на по- ве рхность после подрыва зарядов.

Когда заряды подрываются в скважинах, содержащих жидкость (промывочный раствор, масло или воду), несущая штанга испытывает в момент подрыва удар, в достаточной мере ослаблен

ный жидкостью, вследствие чего

рыва в штанге не возникает

Недостатком является то, что если узел зарядов, установленных на несущую штангу, неправильно приложен к стенке подлежащего пробиванию креп ления ствола скважины, удар, приложе ный к несущей щтанге в момент подрыва зарядов, полностью поглощается ... этой щтангой, так как газ не смягчае перемещение штанги. В этих условиях, если профиль сечения штанги не был специально разработан для этой цели, усилия, приложенные к соединениям, связывающим штанги между собой, или даже усилия, непосредственно гтрило- женные к uiTaHraM, в частности, когда последние имеют большую длину (3 - 5 м)5 очень часто прерьшают сопротивление рызрыву стали штанги, В результате этого происходит разрыв щтанги на куски разной длины, которые невозможно извлечь.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является устройство для перфорации буровых скважин, содержащее опорную штангу, имеющую крепежные отверстия и в поперечном сечении наружный профиль выпуклый, а внутренний - вогнутый, на который опираются передние стороны кумулятивных зарядов в герметизированных оболочках, установленные в крепежных . отверстиях, а задние стороны зарядов имеют канал для детонирующего шпу- ра 2.

Недостатком этого устройства яв- ляется то, что в скважине наполненной газом, такая штанга имеет вследствие взрыва многочисленные ны, которые лищают ее прочности. К тому же под воздействием удара, создаваемого при каждом взрыве, участок

5

5

0

.S

0

0

5

0

55

несущей а1танги, где это происходит, слегка выгибается, полученные таким образом изгибы складываются друг с другом вдоль штанги, образуя единую дугу, которая заклинивается в скважине и делает невозможным подъем через насосно-компрессорную трубу деформированной таким образом штанги.

Целью изобретения является повышение надежности перфорации.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для перфорации буровых скважин, содержащем опорную штангу, имеющую крепежные отверстия и Б поперечном сечении наружный профиль выпуклый, а внутренний - вогнутый, на которь й опираются передние стороны кумулятивных зарядов в герметизированных оболочках, уста- новленнь е в крепежных отверстиях, а задние стороны зарядов имеют канал для детонирующего шпура, опорная штанга выполнена из упругой стали, а в середине интервала между каж- дь ми двумя крепежнымр отверстиями на одной прямой с ними выполнены дополнительные отверстия, причем головки снарядов установлены продольно.

На фиг. 1 представлена схема внутренней поверхности участка не- суш,ей штанги; на фиг. 2 - разрез А-Л. на фиг. 1, на фиг. 3 и 4 - схемы двух соединений, связывающих две несущие щтанги; на фиг, 5 - кумулятивный заряд,. завинт-1еннь й в соответствующий держательJ на фиг. 6 и 7 - вместилище для детонируюшего шнура.

Несущая стальная штанга 1 (фиг.1 и 2) имеет через равные интервалы ряд резьбовых отверстий 2, приспо- собленньгх для приема, головок крепления кумулятивных зарядов 3. Отверстия 2 проделаны в оси штанги, при этом их диаметр в основном.равен ширине центрального плоского участка 4, который имеется на внутренней поверхности штанги,. Внешняя поверхность несущей штанги 1 является кольцевой. Кроме того, внутренняя поверхность щтанги содержит боковые плоские участки 6 и 7, которые имеют профиль, соответствующий внешнему переднему профилю применяемь х зарядов. Угол раскрытия боковых плоских участков 6 и 7 незначительно уменьшен (на 1/2 градуса) по отношению к углу пе- .редней части зарядов. Таким образом.

закручивание до отказа головок зарядов в резьбовые отверстия несущей штанги сопровождается легкой деформацией штанги, что представляет собой блокировочный стопор для зарядов.

В середине интервала, разделяющего два соседних крепежных отверс- тия, и на их уровне проделано дополнительное отверстие 8 диаметром, равным предыдущим. Сечение штанги (фиг. 2) имеет примерно постоянную толш;ину.

Ширина штанги устанавливается в зависимости от размеров передней части подрываемых зарядов, в связи с чем ее толщина определяется механическими свойствами используемой стал

Рассмотрим три определяющих качесва. Первое заключается в максимальном относительном удлинении (или разрыве при растяжении) стали, которая выбирается в зависимости от остаточной деформации, которую может выдержать штанга под воздействием взрыва. Второе качество представляет собой стойкость стали на разрыв, третье - упругая деформация, т.е. характеристика сопротивления удару применяемой стали или же отношение между поглощенной кинетической энергией, необходимой для разрыва металла, и поверхностью сечения разрыва. Сталь, упругая деформация которой находится в пределах 3-7 даДж/см, успешно использована для эксперимента.

Выбирая в качестве характеристик стали штанг максимальное относительное удлинение, превьш1ающее 10%-ную упругую деформацию, превышающую 3 даДж/см и сопротивление на разрыв в пределах, указанных выше, средняя толщина штанги будет взята примерно равной одной десятой длины ее внешнего профиля.

Соединение между двумя несущими штангами 9 и 10 (фиг. 3) содержит две соединительных секции 11 и 12 соответственно, связанные со штангами 9 и 10 выгнутыми участками, образующими две ступеньки 13 -и 14, выполненные под прессом со стороны внутренней поверхности ытанг. Высота этих ступенек в основном равна или слегка превьшает толщину в центре штанг 10. Длина соединительных секций 11 и 12 несколько превы- ,шает интервал, разделяющий отверстие для крепления зарядов и вспомогательное отверстие. Каждая секция 15 имеет отверстие для крепления, расточенное, таким образом, чтобы

устранить первоначальную резьбу, и -. промежуточное отверстие 16, расточенное таким же образом. Сверх соеди-- нительных секций 11 и 12 соединение содержит соединительную полосу 17,

вырезанную нз несущей штанги и

имеющую две пары резьбовых отверстий 2 и 18, т.е. два крепежных отверстия 2 и два вспомогательных отверстия 8. специально нарезанные резьбой

для их новой функции. Соединительная полоса 17 прикреплена к наружным по- верхностям обоих штанг 9 и 10 четырьмя винтами 19 - 22,

Кумулятивный заряд 23 (фиг. 5)

содержит корпус 24 общей цилиндрической формы и крышку 25 общей формы усеченного конуса. Крышка 25 имеет в своем центре крепежную головку 26 с наружной резьбой, завинчнваемую в резьбовое отверстие 27, выполненное в несущей штанге 28, при этом высота головки 26 в основном разка толщине штанги на уровне от- }зерстия 27. Внешние профили передней

стенки головки 26 и поперечного сечения несущей штанги 28 являются круговыми и, кроме того, в основном совпадают. Внутренний профиль поперечного сечения несущей штанги 28 в основном соответствует наружному

профилю крышки 25, который имеет -. угол раскрытия . При этом угол раскрытия боковых плоских поверхностей штанги 28 несколько меньше первого угла (на 1/2 градуса), в результате чего вследствие ввинчивания крепежной головки 26 в отверстие 27 происходит легкая деформация несущей штанги для того, чтобы создать блокировочный стопор для головки 26, ввинченной в отверстие 27. Внутренний угол раскрытия крышки 25 составляет примерно 110 . Так как внешний угол раскрытия крышки 25 составляет 120°j крышка 25 имеет уменьшающуюся толщину от своего основания до центра,

Крьщ1ка 25 имеет вблизи своего основания; с одной стороны, круговой вырез 29, образующий упор, в который упирается передняя кромка корпуса 24 заряда, и, с другой стороны, кольцевой выступ 30J который взаимодействует с фланцем 31, жестко соединенным с корпусом 24 заряда, с целью

51223845

зажатия тороидального уплотнения 32, .Задняя сторона 33 фланца 31 является наклонной и крайний борт 34 крьппки 25 зажат на этой стороне так, чтобы получить ограниченное соединение в оправу корпуса 24 заряда в крышке 25. Борт 34 крьшки 25 прежде всего несколько зажат на борт 33 фланца 30 таким образом, чтобы корпус 24 заряда мог легко вращаться от руки по отношению к 25 при сохранении хорошей герметичности благодаря частичному сдавливанию уплотнения 32, Затем в трех или в четырех участках небольшой протяженности, равномерно удаленных один от другого, край 34 сильно сдавлен прессом так, чтобы . усилие вращения, превышающее определенный уровень (1-3 кгм), стало

10

15

шаться в зависимости от этот-о же . мого сопротивления) с тем, чтобы личить замкнутость детонации дето рующего шнура в канале 36 и увели таким образом надежность взрывчат соединения через стенку 46 секции детонирующего шнура, взрывающегос в канале 36, и капсюля-детонатора установленного в выемке 44,

Полость 42 содержит шашку взры того вещества 47 вторичного типа, в которой выполнена выемка общей нической формы, стенка которой и оболочку 48, выполненную, наприме из спрессованного металлического порошка.Шашка взрывчатого веществ 47 непосредстве)но образована в полости 42 и таким образом удержи ется в ней надежно. Однако у осно

необходимым для поворота корпуса за- 20 ния оболочки 48 нанесена полоска ряда по отношению к его крьш1ке,

С задней стороны корпуса 24 заряда выточен выступ 35 общей цилиндрической формы, в котором проделан канал 36, служащий вместилищем для детонирующего шнура, С обеих сторон канала 36 кромки выступа 35 наклонены (37, 39) так, чтобы круг 40, рый продолжением профиля внешней стенки несущей штанги 28, был в оеновном 30 касательным к кромке 41, образованной таким образом на выступе 35. Диаметр канала 36 несколько превышает , диаметр детонирующего шнура, который применяется. Толщина внешней стенки канала на уровне кромки 41 составляет 1 мм в случае, когда корпус заряда из стали, В этом же случае диаметр выступа 35 примерно в три раза больше диаметра канала 36.

35

клея для того, чтобы избежать отд ния крупинок пороха от шашки взры чатого вещества 47, которые могут оседать на уровне упора 29 или вы 2S па 35, что могло бы представить о . ность воспламенения в момент уста ки в одну линию вместилищ детонир щего шнура путем вращения корпуса рядов по отношению к их крышке.

Внутренняя часть крепежной гол 26 выполнена пустотелой, при этом кромки внутреннего и наружного со динения головки 26 и крышки 25 в новном расположены в одной плоск ти. Толщина передней стенки (в фо сферического сектора) головки 26 ределяется в зависимости от механ ческой прочности металла, применя го для этой цели, и максимального давления, которое требуется вьщер жать в скважине. Толщина боковой стенки головки 26 определяется с учетом того, что эта стенка выде кивает давление скважины только через несущую штангу 28, что поз ляет значительно ее уменьшить. Н практике эта толщина определяетс минимальным диаметром выемки гол ки 26, а итот диаметр должен быт значительно больше диаметра (при но 8 мм) перфорации, которая выполняется струей в передней стен головки 26 в момент подрыва заря Кроме того, важно, чтобы образов ние пробивающей струи ни в чем н получало противодействия со стор .внутренней стенки крышки 25, В к лятивных зарядах, применяемых в ных целях, передняя стенка крышк

4Q

Внутри корпуса 24 заряда выполнено цилиндрическое отверстие 42 со слегка сужающимся дном 43, Б центре дна 43 выполнена небольшая выемка 44, содержащая капсюль-детонатор 45, вь полненный из взрывчатого вещества первичного типа. Максимальная толщина стенки 46, которая разделяет выемку 44 и канал 36, определяется природой металла, из которого выполнен корпус 24 заряда. Чем более механи- чески прочен этот металл, тем меньшей будет толщина этой стенки. Отношение между диаметрами выступа 35 и канала 36 выбрано в прямой зависимости от этого механического сопротивления (в то время как толщина кана ла 36 на уровне кромки 41 может умень

шаться в зависимости от этот-о же .самого сопротивления) с тем, чтобы увеличить замкнутость детонации детонирующего шнура в канале 36 и увеличить таким образом надежность взрывчатого соединения через стенку 46 секции детонирующего шнура, взрывающегося в канале 36, и капсюля-детонатора 45, установленного в выемке 44,

Полость 42 содержит шашку взрывча-- того вещества 47 вторичного типа, в которой выполнена выемка общей конической формы, стенка которой имеет оболочку 48, выполненную, например из спрессованного металлического порошка.Шашка взрывчатого вещества 47 непосредстве)но образована в полости 42 и таким образом удерживается в ней надежно. Однако у основания оболочки 48 нанесена полоска

клея для того, чтобы избежать отделе ния крупинок пороха от шашки взрывчатого вещества 47, которые могут оседать на уровне упора 29 или высту- па 35, что могло бы представить опас- ность воспламенения в момент установки в одну линию вместилищ детонирующего шнура путем вращения корпуса зарядов по отношению к их крышке.

Внутренняя часть крепежной головки 26 выполнена пустотелой, при этом кромки внутреннего и наружного сое-: динения головки 26 и крышки 25 в основном расположены в одной плоскости. Толщина передней стенки (в форме сферического сектора) головки 26 определяется в зависимости от механи- ческой прочности металла, применяемого для этой цели, и максимального давления, которое требуется вьщер- жать в скважине. Толщина боковой стенки головки 26 определяется с учетом того, что эта стенка выдер- кивает давление скважины только через несущую штангу 28, что позволяет значительно ее уменьшить. На практике эта толщина определяется минимальным диаметром выемки головки 26, а итот диаметр должен быть значительно больше диаметра (примерно 8 мм) перфорации, которая выполняется струей в передней стенке головки 26 в момент подрыва заряда. J Кроме того, важно, чтобы образование пробивающей струи ни в чем не получало противодействия со стороны .внутренней стенки крышки 25, В кумулятивных зарядах, применяемых в военных целях, передняя стенка крышки

122 38-4 :т8

В варианте вместилища (фиг, 6 и 7) зажим крьш1ки в оправку в корпусе труден, так как не требуется больше никакого вращения одного элемента по отношению к другому, BMecTHJHiuie детонирующего шнура в основном образовано металлическим зажимом 38 большой жесткости, кото1)ый имеет примерно форму полуцилиндра, в боковых по- кумулятивных зарядов нефтяной промыш- верхностях которого сооответственно

таким образом удалена на возможнс большее расстояние от основания оболочки, что позволяет пробивающей струе лучше вытянуться, прежде чем войти в контакт с первой целью (крыш- 5 ка), которая встречается ей на пути, и получить таким образом максимальные характеристики. Учитывая ограниченные габариты предписываемые для

вырезаны два выреза 49 в форме ласточкина хвоста, имеющие зубцы 50 и 51. Зажим 38 приспособлен для установки с усилием с помощью инструмента, предназначенного для этой цели, на кольцевой выступ 52 малой , имею-, щий вырез 53 (дно 43 корпуса заряда, выемка 44 капсюля-детонатора и тонкая стенка 46 напоминаются здесь в целях лучшего представления о расположении детали, на которую сделана ссылка) . При таком устройс тве после завинчивания крепежных головок зарядов в отверстия несущей штанги детонирующий шнур легко уста - навливается на место. Между двумя последовательными зapядa И выполнено колено, позволяющее сокращение шнура, и шнур укреплен на выступе

ленности подобное решение невозможно. Максимальное снижение размеров внешних выступов заряда позволяет высвободить несколько дополнительных миллиметров как в отношении высоты оболочки, так и в отношении высоты крышки. Целесообразный компромисс, подтвержденный опытом (край углубления головки не затрагивается струей), заключается в выборе внутреннего угла раскрытия в 110 для крьш1ки 25, при этом предполагаемая вершина этого усеченного конуса в основном расположена на передней стенке изнутри головки 26.

Установка на место зарядов 3 или 23 на несущие штанги 1 (фиг, 1) или 28 (фиг. 5) является очень легкой. Головки заряда прежде всего навинчиБаются вручную на штангу 28, а затем 30 52 путем установки на место с необ- блокируются с помощью тисков, зажимающих кромку 34 крышки. Штанга 28 в этом случае слегка деформируется и блокирует таким образом головки заряда в их гнезде. Когда эта первая . 35 серия операций осуш,ествлена с помощью тисков, зажимающих в этот раз корпус 24 заряда, последний поворачивается по отношению к крышке 25, и канал 36 каждого заряда таким образом водится в положение, параллельное оси штанги 28. В этом случае достаточно просунуть детонирующий шнур в каналы-вместилища, выпрямленные в одну линию таким образом.45

При перемене ролей крышки 25 и дна 43 корпуса 24 заряда шашка взрывчатого вещества устанавливается в соот-. ветствии с известным вариантом, располагается в оболочке, прикрепленной к крышке, при этом оболочка введена без значительного трения в корпус заряда, внутренний и внешний профили которого в основном идентичны (за исключением средств зажатия в оправу, которые переносятся на заднюю часть корпуса) тем, которые изображе- ны на фиг. 5 перед дном 43.

.. 50

55

ходнмой ориентацией зажима 38, зубцы 50 и 51 которого входят в вырез 53. Большая жесткость зажимов 38 обеспечивает их должное удержание во время спуска аппарата в скважину, однако полная безопасность, обеспечиваемая формой осуществления вместилища (фиг. 3), является более удовлетворительной.

Держатель кумулятивных зарядов .(фиг. 1-4) позволяет достичь особенно высокое число зарядов на метр, при этом интервал между крепежными отверстиями для зарядов может быть в два раза меньше ширины штанги, т.е. в два раза меньше габаритного диаметра корпуса зарядов.

Когда требуется соединить две несущих штанги-держателя, к соединительным секциям этих штанг крепится соединительная полоса с помощью четырех винтов (фиг. 3). Детонирующий шнур, а затем детонатор с электрическим управлением устанавливаются на место. Верхняя секция для соединения несущей штанги в этом случае крепится к головной части взрывного устройства, которое само

5

0

5

вырезаны два выреза 49 в форме ласточкина хвоста, имеющие зубцы 50 и 51. Зажим 38 приспособлен для установки с усилием с помощью инструмента, предназначенного для этой цели, на кольцевой выступ 52 малой , имею-, щий вырез 53 (дно 43 корпуса заряда, выемка 44 капсюля-детонатора и тонкая стенка 46 напоминаются здесь в целях лучшего представления о расположении детали, на которую сделана ссылка) . При таком устройс тве после завинчивания крепежных головок зарядов в отверстия несущей штанги детонирующий шнур легко уста - навливается на место. Между двумя последовательными зapядa И выполнено колено, позволяющее сокращение шнура, и шнур укреплен на выступе

30 52 путем установки на место с необ- 35 о 45

50

55

ходнмой ориентацией зажима 38, зубцы 50 и 51 которого входят в вырез 53. Большая жесткость зажимов 38 обеспечивает их должное удержание во время спуска аппарата в скважину, однако полная безопасность, обеспечиваемая формой осуществления вместилища (фиг. 3), является более удовлетворительной.

Держатель кумулятивных зарядов .(фиг. 1-4) позволяет достичь особенно высокое число зарядов на метр, при этом интервал между крепежными отверстиями для зарядов может быть в два раза меньше ширины штанги, т.е. в два раза меньше габаритного диаметра корпуса зарядов.

Когда требуется соединить две несущих штанги-держателя, к соединительным секциям этих штанг крепится соединительная полоса с помощью четырех винтов (фиг. 3). Детонирующий шнур, а затем детонатор с электрическим управлением устанавливаются на место. Верхняя секция для соединения несущей штанги в этом случае крепится к головной части взрывного устройства, которое само

жестко соединено с тросом опускания и электрического питания.

Когда устройство с кумулятивными зарядами, выполненное таким образом, перемещается к скважине с ближайшего места сборки, упругость и прочность штанги вполне достаточны для удержания веса зарядов без постоянных деформаций. Кроме того, установка в вертикальное положение значительной части устройства,, в то время как остающаяся часть остается горизонтальной, является легкой, так как профиль, принятьй для несущей штанги, вызывает благоприятное распределение напряжений в штанге, которая допускает относително небольшой, например, 2 м радиус кривизны (при зтом заряды находятся со стороны выемки

Спуск в насосно-компрессорную трубу газовой скважины устройства с кумулятивными зарядами, содержащего несущую штангу, происходит без затруднений. По прибытии на желае- мую глубину заряды подрываются известным способом.

Вместо применения соединительной полосы, такой как 17, возможно непосредственно укрепить первую штангу 9, имеющую соединительную секцию,.на второй 10, которая таковой не имеет. В этом случае соединительная секция будет иметь три расточенных отверстия вместо двух,и ее конец закончится скосом,, продолжающимся до первого крепежного отверстия 2 второй штанги 10, таким образом чтобы указанн ый конец был зажат зарядом, установленным в это отверстие. В этих условиях конец соединительной секции частично

воспринимает взрывную волну от взрыва заряда5 который зажимает ее и передает на соединенную секцию второй штанги 10, благодаря чему все три винта крепления примененные

в этом случае, достаточны для восприятия без разрыва взрывной волны от взрыва. Преимущество этого способа заключается в потере, относящейся к соединению, только части днины,

равной двум интервалам от крепежного отверстия до вспомогательного отверстия вместо трех, которые теряются в варианте осуществления согласно фиг 3

,ipi/s. 2

/J ff 20 У 12. 22 16

9

V,d4/ / A /

./Т|Т

t ч I

18 V7 2 Фиг.З

/4 Ю

t ч I

V7 2 Фиг.З

/4 Ю 2

ФтА

J2 JA jj

4ff 2

28

zg 0 31 47

Фиг. 5

5

52. 6 X /

50 9 51 J8 Фиг. 7