СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОСТАВНЫХ КУМУЛЯТИВНЫХ СТРУЙ В ЗАРЯДАХ ПЕРФОРАТОРА
METHOD FOR OBTAINMENT COMPOSITE CUMULATIVE JETS IN PERFORATOR CHARGES

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности. Преимущественная область использования - формирование кумулятивных струй в перфораторах, предназначенных для вскрытия продуктивного пласта в нефтяных и газовых скважинах.
Известен способ формирования кумулятивной струи в кумулятивном заряде (Средства поражения и боеприпасы / А.В. Бабкин, В.А. Велданов, У.Ф. Грязнов и др. Под общ. Ред. В.В Селиванова. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 984 с., с.541-550), включающий инициирование заряда взрывчатого вещества с выемкой, расположенной с противоположной стороны от инициатора, облицовку выемки низкой тонкой металлической облицовкой с конической формой и с полными углами раствора от 120° до 160° или сегментной (чашеобразной), ограниченной сферическими поверхностями с радиусом кривизны, существенно превышающим диаметр заряда, метание облицовки продуктами взрыва заряда взрывчатого вещества, выгибание материала облицовки вдоль оси заряда с одновременным уменьшением диаметра облицовки и натекание материала облицовки на оси симметрии формируемой кумулятивной струи.
Достоинством способа является большая масса формируемой кумулятивной струи, достигающая 90% от массы облицовки, отсутствие песта, что исключает возможность закупоривания перфорационного канала и уменьшения движения флюидов из пласта в скважину.
Недостатком способа является низкая скорость формируемой кумулятивной струи, не превышающая 3-5 км/с, малый градиент скорости вдоль струи и малая глубина пробития, порядка одного диаметра заряда. Малая глубина обусловлена малой длиной формируемой кумулятивной струи.
Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа, является способ, описанный в патенте РФ №2250359, МПК E21B 43/117, F42B 1/028, опубл. 20.04.2005, включающий инициирование заряда взрывчатого вещества с открытой полостью в форме сферического сегмента в теле шашки в сторону полости, облицовку полости из двух различных материалов, причем внутренний слой облицовки выполнен из материала с меньшей удельной массой, например алюминия, а слой, примыкающий к заряду взрывчатого вещества, - из материала с большей удельной массой, например из меди, метание облицовки продуктами взрыва, выворачивание облицовки по оси симметрии заряда в противоположную сторону направления своего движения, отрыв внутреннего слоя облицовки от внешнего, формирование кумулятивной струи из внутреннего слоя облицовки с максимальной скоростью, большей, чем максимальная скорость формируемой кумулятивной струи из наружного слоя облицовки.
Первое рабочее тело, образованное из внутреннего слоя облицовки, пробивает стенку обсадной колонны, слой цементного камня, а второе рабочее тело, образованное из внешнего слоя облицовки, вслед за первым пробивает далее канал в горной породе, таким образом, для второго рабочего тела создается более оптимальное фокусное расстояние.
Достоинством способа является повышенная эффективность пробития за счет большей длины формируемой составной кумулятивной струи.
Недостатком способа является низкая максимальная скорость формируемой кумулятивной струи, не превышающая 3-5 км/с, малый градиент скорости вдоль струи и малая глубина пробития, не превышающая 2.5-3.5 диаметра заряда. Недостаточная глубина пробития обусловлена малой длиной формируемой кумулятивной струи, так как максимальная скорость кумулятивной струи, сформированной из внешней части облицовки, превышает минимальную скорость кумулятивной струи, сформированной из внутреннего слоя, а малый градиент скорости вдоль струи не может растянуть ее.
Задачей изобретения является дальнейшее повышение глубины перфорационного канала.
Технический результат заключается в обеспечении максимальной скорости головной части кумулятивной струи, сформированной из внутреннего слоя облицовки, достижении максимальных скоростей головных частей последующих формируемых кумулятивных струй, не превышающих минимальную скорость конца предыдущей кумулятивной струи, за счет принудительного преобразования осевой скорости метания периферийных участков облицовки в радиальную скорость сжатия, формируя составную, из материалов различной плотности, кумулятивную струю с плавным градиентом скорости одинакового диаметра с оптимальным фокусным расстоянием для каждого участка струи.
Для решения поставленной задачи в способе получения составных кумулятивных струй в зарядах перфоратора, включающем инициирование заряда взрывчатого вещества (ВВ) с открытой полостью в форме сферического сегмента в теле заряда ВВ в сторону полости, облицовку полости из различных материалов, при этом каждый последующий слой за слоем, примыкающий к полости заряда ВВ, выполнен из материала с меньшей удельной массой относительно материала предыдущего слоя, метание облицовки продуктами взрыва, выворачивание облицовки по оси симметрии заряда в противоположную сторону направления своего движения, отрыв внутреннего слоя облицовки от внешнего, формирование составной кумулятивной струи из внутреннего слоя облицовки с максимальной скоростью, большей, чем максимальная скорость формируемой кумулятивной струи из внешнего слоя облицовки, согласно изобретению облицовку выполняют слоистой с количеством слоев не менее двух, все слои выполняют раздельными и разнотолщинными, с уменьшением толщины слоя от центральной части к периферийной, а со стороны торца заряда с выемкой размещают осесимметричный полый преобразователь с внутренним профилем, выполненным преимущественно в форме усеченного конуса, сужающимся в направлении движения кумулятивных струй, при этом в процессе метания и выворачивания кумулятивной облицовки последовательно дополнительно воздействуют на периферийную часть облицовки, сначала на облицовку из материала с меньшей плотностью, затем на облицовку с большей плотностью материала за счет их соударения и скольжения по внутренней поверхности преобразователя, преобразуют продольную скорость метания облицовки в радиальную скорость ее сжатия.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа. позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки (количество слоев облицовки не менее двух, слои облицовки выполняются раздельными и разнотолщинными, с уменьшением толщины слоя от центральной части к периферийной, размещением осесимметричного полого преобразователя с внутренним профилем, выполненным преимущественно в форме усеченного конуса, сужающимся в направлении движения кумулятивных струй, последовательным дополнительным воздействием в процессе метания и выворачивания кумулятивной облицовки на периферийную часть облицовки, сначала на облицовку с меньшей плотностью материала, затем на облицовку с большей плотностью материала за счет их соударения и скольжения частей материала кумулятивной облицовки по внутренней поверхности преобразователя, преобразуя осевую скорость метания облицовки в радиальную скорость ее сжатия) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
На фиг.1 приведен последовательный процесс формирования составной кумулятивной струи. На фиг.2 приведен пример функционирования устройства, реализующего способ и пробитие стальной преграды.
1 - инициатор, 2 - заряд взрывчатого вещества с выемкой 3, 4 - внешняя часть облицовки из материала с большей удельной массой, 5 - внутренняя часть облицовки из материала с меньшей удельной массой, 6 - полый осесимметричный преобразователь, 7 - кумулятивная струя из материала с большей плотностью, 8 - кумулятивная струя из материала с меньшей плотностью.
Формирование составной кумулятивной струи происходит следующим образом.
Производят инициирование заряда ВВ 2 с выемкой 3 инициатором 1 (электродетонатор). Выемка 3 облицована многослойной облицовкой 4-5, при этом облицовка 4 с большей плотностью материала примыкает к заряду ВВ 2, а каждая последующая имеет плотность материала меньше предыдущей. Детонационная волна в заряде ВВ 2 распространяется в сторону выемки 3 и сначала подходит к вершине облицовки и метает ее вдоль оси симметрии заряда ВВ. Центральные части облицовки 4-5 приобретают в направлении оси полости 3 наибольшие импульс и скорость. В результате этого центральные части облицовки 4-5 выворачиваются в противоположную сторону своего движения, начинается разделение материалов облицовки 4-5. При этом внутренняя облицовка 5 с меньшей удельной массой приобретает большую скорость по сравнению с внешней облицовкой 4. Для уменьшения потерь энергии в материале облицовки 4-5 при разделении облицовок 4 и 5, повышения устойчивости формы поверхности тонких облицовок при их деформации они выполняются раздельными. Затем периферийные части облицовки 4-5 метаются и приходят в принудительное взаимодействие с осесимметричным полым преобразователем 6, скользят по его внутренней поверхности и преобразуют осевую скорость метания в радиальную скорость сжатия материала облицовки 4-5. В результате этого формируется кольцевая кумулятивная струя, которая соударяется на оси симметрии заряда под полным углом более 180 градусов до прихода к месту соударения материала облицовки материала центральной части облицовки 5. В результате формируется высокоскоростная массивная кумулятивная струя 8 в направлении по оси симметрии заряда ВВ 2 в сторону противоположной выемки 3 из внутренней облицовки 5. Конечная часть формируемой струи подпирается и ускоряется материалом центральной части облицовки 5. Для согласования времен формирования высокоскоростной кумулятивной струи и струи из центральной части облицовки 4-5, облицовки 4-5 выполняются разнотолщинными. Так как облицовка 4 имеет большую удельную массу, то она метается с меньшей скоростью, процесс повторяется и формируется кумулятивная струя 7 из материала с большей плотностью. В результате формируется непрерывная, составная из материалов различной плотности кумулятивная струя с гладким градиентом скорости, позволяющим растянуть струю и создать оптимальные фокусные расстояния для различных участков струи с различной плотностью материала.
Отметим, что часть составной кумулятивной струи с большей плотностью материала имеет более низкую критическую скорость, чем высокоскоростная часть кумулятивной струи из материала с меньшей скоростью. Критическая скорость струи - это минимальная скорость кумулятивной струи, при которой она может совершить полезную работу по пробитию для данных соотношений плотностей материалов струи и преграды.
3
Пример выполнения устройства, реализующего способ. Кумулятивный заряд перфоратора содержит заряд ВВ 2 типа октоген с плотностью 1.75 г/см в корпусе толщиной 1.5 мм диаметром 39 мм. Масса заряда ВВ 2 около 30 г. Заряд инициируется детонатором 1, формирующим плоскую детонационную волну. Полый осесимметричный преобразователь 6 выполнен из инертного материала, например вольфрама, стали с внутренней поверхностью в виде двух сопряженных конусов. Полный внутренний угол раствора преобразователя 6, примыкающего к облицовке 5, 90 градусов с отверстием 10 мм. Вторая часть преобразователя 6 имеет внутреннюю коническую поверхность с полным углом раскрыва 56 градусов и диаметр отверстия 8 мм. Облицовка 4-5 выполнена в виде части сферы диаметром 36 мм и со стрелкой прогиба поверхности 6 мм. Облицовка состоит из двух частей. Внешняя облицовка 4 примыкает к заряду ВВ 2 и выполнена из материала с большой плотностью материала, например свинца, молибдена, а внутренняя облицовка 5, обращенная к полому осесимметричному преобразователю 6, - из материала с меньшей плотностью, например меди, железа, цинка, алюминия. В данном заряде выбраны материалы свинец и алюминий. Толщина облицовки 4 по оси симметрии заряда - 1 мм и 0.8 мм на ее периферии. Толщина облицовки 5 соответственно 1.4 мм и 1 мм.
Благодаря тому что облицовка выполнена составной из двух или более различных материалов, последовательно формируются два или несколько высокоскоростных тела (кумулятивных струй) из алюминия 8 и из свинца 7, которые движутся друг за другом с различными скоростями и последовательно пробивают преграду. Первое тело 8, выполненное из материала с меньшей удельной массой, приобретает большую скорость, чем второе тело 7.
При малых отношениях толщины облицовки 4-5 к входному диаметру преобразователя 6, волны разрежения существенно снижают значения параметров ударной волны еще до прихода на ось симметрии заряда, что приводит к меньшему росту скорости передней поверхности материала облицовки. Одновременно на стенках преобразователя образуется кольцевая струя, опережающая материал облицовки на оси симметрии заряда и с углом схождения более 180 градусов. При соударении материала облицовки на оси симметрии заряда формируется высокоскоростная кумулятивная струя, которая далее поджимается далее материалом облицовки 4-5, фиг.2.
z
r
В начале процесса формирования кумулятивной струи 8 из алюминиевой облицовки 5, максимальная осевая скорость метания V материала облицовки 5 равна 3.59 км/с, а скорость боковых (кольцевых) струй 5.23 км/с с радиальной скоростью сжатия V - 2.7 км/с. Далее кольцевые струи охлопываются на оси симметрии заряда и поджимаются своеобразным поршнем из материала центральной части облицовки 5, формируя высокоскоростную кумулятивную струю 8 с максимальной скоростью 10.55 км/с. Максимальный диаметр формируемой алюминиевой струи 12.7 мм. Пест в алюминиевой струе отсутствует. В результате возникших градиентов скоростей вдоль алюминиевой струи 8 она увеличивает свою длину в полете. Сформированная алюминиевая кумулятивная струя 8 с фокусного расстояния 45 мм пробивает в железной преграде толщиной 10 мм отверстие со входным диаметром 20-21 мм и выходным диаметром порядка 26 мм. Происходит одновременный процесс формирования кумулятивной струи 7 из облицовки 4. Первая кумулятивная струя 8 пробивает слой жидкости между перфоратором и обсадной трубой, слой цементного камня и некоторую часть породы. Вторая часть кумулятивной струи 7 вслед за первой частью струи 8 пробивает далее канал в горной породе. Первая часть кумулятивной струи 8, таким образом, не только преодолевает первоначальные преграды, но и обеспечивает большее дополнительное пространство, создающее оптимальное фокусное расстояние для струи 7, с которого реализуется его наибольшее пробивное действие. Получаем своеобразный тандемный заряд.
Известны две разновидности тандемных зарядов, отличающихся очередностью срабатывания входящих в их состав кумулятивных зарядов. В одной из них первым срабатывает кумулятивный заряд, установленный ближе к преграде, а во второй схеме первым срабатывает кумулятивный заряд, установленный дальше от преграды. Подобные заряды ориентированы на получение максимальной глубины пробития современных преград в военном деле.
В данном кумулятивном перфораторе используется только один заряд ВВ и две или более облицовок. При этом отсутствует узел задержки инициирования первого и второго зарядов. Все это позволяет уменьшить продольные габариты тандемного перфоратора.
В процессе движения кумулятивных высокоскоростных струй 7-8 происходит их разделение. Минимальная скорость алюминиевой струи 8 равна 3.14 км/с, а максимальная скорость струи 7 из свинца равна 3.1 км/с. Формируется непрерывная составная кумулятивная струя из двух или более материалов: высокой и низкой плотности. Диаметр сформированной струи около 6-6.5 мм.
Особенностью подобных зарядов является то, что максимальные скорости формируемых кумулятивных струй значительно больше по сравнению с максимальными скоростями, получаемыми из широкоугольных облицовок, как в прототипе. В прототипе максимальная скорость алюминиевой струи не превышает 5 км/с. Меньший градиент скорости вдоль струи приводит к уменьшению длины составной струи и глубины пробиваемого перфорационного канала. Получаемые минимальные скорости составной кумулятивной струи достаточны для пробития бетона, а большой диаметр струй приводит к перфорации отверстия большого диаметра.
Аналогичным способом может быть реализован заряд, содержащий три и более облицовок, например, из тантала, цинка и алюминия.
Предлагаемый способ формирования составных кумулятивных струй прошел экспериментальную проверку и доступен для методов вычислительного эксперимента.
Использование данного изобретения позволит получать длинные составные кумулятивные струи из различных материалов с максимальной скоростью головной части струи, с возможностью управления распределением плотности материала струи вдоль кумулятивной струи и повысить эффективность пробития в 1.5-2 раза.