Заряды перфораторов с метаемыми двухслойными сегментными облицовками

УДК 662.2:662.76

А. А. Мокеев, А. А. Марсов, А. П. Евдокимов

ЗАРЯДЫ ПЕРФОРАТОРОВ С МЕТАЕМЫМИ ДВУХСЛОЙНЫМИ СЕГМЕНТНЫМИ ОБЛИЦОВКАМИ

Ключевые слова: заряд перфоратора, сегментная облицовка, кумуляция, метание.

Выполненные исследования по изучению механизма формирования одним зарядом взрывчатого вещества двух ударников, образующихся из двухслойной облицовки сегментной формы при ее детонационном метании. Установлены скорости движения головных частей ударников, выполненных из меди и алюминия, которые составили 3765 и 6235 м/с соответственно. Проведена экспериментальная оценка пробивной способности перфораторных зарядов с двухслойной облицовки в сравнении со штатными зарядами и зарядами с однослойной облицовкой по стальной мишени и стандартной комбинированной мишени, изготовленной в соответствии с методикой АЛ ЯР 43. Подтверждена повышенная пробивная способность исследованных зарядов на 10-15% при сохранении диаметра перфорационного канала на уровне штатного. Показаны перспективные способы повышения эффективности представленных зарядов регулированием геометрических параметров фронта детонационной волны.

Keywords: charge perforator, segment lining, cumulation, throwing.

Completed studies on the mechanism offormation of a single explosive charge two strikers, resulting from a two-layer lining segment shape in its detonation throw. Installed velocity warheads strikers made of copper and aluminum, which accounted for 3765 and 6235 m / s, respectively. Experimental evaluation of penetration perforating charges with a two-layer cladding compared with the standard charges and charges with a single-layer lining for steel target and standard combined target made in accordance with the procedure API RP 43. Confirmed increased penetration investigated charges by 10-15% while maintaining the diameter of the perforation at the level of staffing. Showing promising ways to improve the effectiveness of the regulation of charges submitted by the geometric parameters of the detonation wave front.

Введение

Качество вторичного вскрытия нефтяных пластов существенным образом влияет на эффективность эксплуатации нефтяных

месторождений. Вторичное вскрытие

преимущественно производится с помощью кумулятивных перфораторных зарядов.

Современные заряды перфораторов позволяют формировать в нефтяном пласте глубокие, но сужающиеся по длине каналы [1,2]. Исследования компании Шлюмберже и ОАО

"ВНИПИвзрывгеофизика" показали, что при перфорации плотных пород с последующей интенсификацией нефтеотдачи (например, методом гидравлического или газодинамического разрыва пласта), большое значение также имеет величина диаметра канала [3]. В этой связи многими производителями перфорационных систем был налажен выпуск кумулятивных зарядов, образующих каналы повышенного диаметра (так называемые заряды «big hole»). По сравнению с зарядами глубокого проникания, создающими на входе отверстия диаметром 9-12 мм, диаметр каналов, формируемых зарядами типа «big hole», составляет 18-25 мм. Принцип действия этих зарядов основан на формировании кумулятивных струй или ударников из облицовок, имеющих форму полсферы, сферического сегмента или низкого конуса. Основным недостатком таких зарядов является значительное фокусное расстояние (более трех диаметров заряда), обеспечение которого в ограниченных скважинных условиях невозможно. Это приводит к закономерному снижению глубины пробития пласта, зачастую имеющей значения,

меньшие по сравнению с размерами зоны кольматации.

Исследовательская часть

В настоящей работе приближение фокусного расстояния зарядов перфораторов к скважинным условиям (не более 2,0 диаметров заряда) предлагается реализовывать с помощью двухслойной сегментной облицовки. Механизм формирования ударников из облицовок сегментной формы отличается от механизма традиционной кумуляции, наблюдаемой при обжатии конических облицовок. При детонации заряда с сегментной облицовкой выпуклая детонационная волна первоначально подходит к области вершины облицовки. Благодаря этому центральные части облицовки приобретают в направлении оси полости наибольшие импульс и скорость, проходят большее расстояние, по сравнению с периферийными частями облицовки, которые приобретают в направлении радиуса полости меньшие импульс и скорость. В результате этого центральные части облицовки обгоняют периферийные, облицовка выворачивается в сторону направления своего движения, формируя растягивающийся по длине ударник.

Двухслойное исполнение облицовки

осуществлялось таким образом, что наружный слой облицовки, обращенный к заряду, выполнен из материала с большей плотностью и акустическим сопротивлением по сравнению с внутренним слоем. Деформация двухслойной облицовки протекает по описанному механизму деформирования, с дополнительным взаимодействием слоев.

Взаимодействие слоев элементов, метаемых зарядом взрывчатого вещества, теоретически описано в работе [4]. В соответствии с этими данными, при расположении слоев в порядке уменьшения акустических сопротивлений по отношению к заряду взрывчатого вещества, взаимодействие падающих и отраженных ударных волн приводит к отрыву внутреннего слоя и его более скоростному движению.

В настоящей работе процесс формирования ударников из двухслойной облицовки сегментной формы был изучен методом импульсной рентгеносъемки. Проведены исследования заряда с двухслойной облицовкой, в которой наружный слой, обращенный к заряду выполнен из меди, а внутренний из алюминия [5]. Заряд, изготовленный из флегматизированного RDX методом прессования, представляет собой конус диаметром 32 мм и высотой 40 мм. Облицовка сегментная толщиной медного слоя 0,7 мм и алюминиевого - 0,5 мм, диаметром основания 24 мм и прогибом 0,45.

Результаты выполненных исследований, представленные на рис. 1, показали, что из облицовки, благодаря тому, что она выполнена двухслойной из различных материалов, одновременно создаются два самостоятельных ударника, движущихся друг за другом с различной скоростью. Первое рабочее тело образуется из внутреннего слоя облицовки, выполненного из материала с меньшей удельной массой, и приобретает более высокую скорость. Благодаря этому этот слой сразу отрывается от наружного слоя облицовки, выполненного из материала с большей удельной массой, и формируется в самостоятельный ударник. Второй ударник, выполненный из наружного слоя облицовки, имеет меньшую скорость и движется с некоторым отставанием от первого. При функционировании такого заряда в конструкции скважинного перфоратора первый ударник, образованный из внутреннего слоя облицовки, будет пробивать опорный диск и резиновую прокладку в окне перфоратора, слой жидкости между перфоратором и обсадной колонной, стенку последней и слой цементного камня. Второй ударник, образованный из наружного слоя облицовки, вслед за первым будет пробивать далее канал в горной породе. Первый ударник, таким образом, не только преодолевает первоначальные преграды в скважине с образованием канала на расстоянии до 2-3 внутренних диаметров облицовки, но и обеспечивает для формирования второго ударника дополнительное пространство, создающее оптимальное фокусное расстояние, с которого реализуется его наибольшее пробивное действие.

Метрологическая обработка снимков показывает, что скорость головной части алюминиевого ударника 6235 м/с, медного - 3765 м/с.

Эффективность действия зарядов с двухслойной сегментной облицовкой оценивалась

экспериментально по набору стальных пластин и комбинированной мишени API RP 43. В настоящей работе были проведены сравнения со штатным

зарядом перфоратора типа «big hole» (из этических соображений производитель штатного заряда в статье не называется). Все заряды имели одинаковые тип и массу ВВ (22 г) и отличались только облицовкой. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

3,4 5,4 8,5

Рис. 1 - Результаты импульсной рентгеносъемки

Анализ экспериментальных данных показал, что наличие наружной оболочки по сравнению с зарядом без оболочки приводит к некоторому снижению глубины пробития около 10% и увеличению в 1,8 раза диаметра отверстия в стальной плите. Применение двухслойных облицовок в заряде позволяет повысить его пробивную способность на 20-25% по сравнению с однослойной облицовкой и достигнуть результата по глубине канала, равной глубине образуемой штатными зарядами перфоратора. Сравнение со штатным зарядом показывает некоторое преимущество по глубине пробития (на уровне 1015%) заряда с двухслойной облицовкой при сочетании толщины медного и алюминиевого слоев 0,7/0,5 мм. Диаметр канала в стальной преграде имеет практически одинаковое значение.

Таблица 1 - Результаты испытаний

Вид заряда Длина канала, мм Dct, мм D6, мм

Оболочка Тип облицовки L6

- медная 8= 0,8 мм 225 76 9,6 25

+ медная 8= 0,8 мм 200 65 17,0 блок разбит

+ двухслойная Си=0,7 мм, А1 =0,2 мм 240 83 15,0 47

+ двухслойная Си=0,7 мм, А1 =0,5 мм 250 86 18,7 блок разбит

+ двухслойная Си=0,8 мм, А1 =0,45 мм 215 74 15,6 45

Штатный заряд «big hole» 220 75 18,3 28

Lб,Lст - длина канала в бетонном блоке и наборе стальных пластин соответственно; Dб, Dст - диаметр канала в бетонном блоке и наборе стальных пластин соответственно.

Следует заметить, что диаметры каналов в бетонном блоке более чем в 1,5 раза больше в случае применения двухслойной сегментной облицовки, что, вероятно, объясняется неокончательным формированием алюминиевого слой в момент встречи с преградой. Полученные результаты свидетельствуют также о значительном влиянии параметров двухслойной облицовки на характеристики пробития заряда. Это открывает пути для поиска оптимальных параметров облицовки и заряда. В частности, были проведены эксперименты по изучению аналогичных зарядов с двухслойной сегментной облицовкой, внутрь которых устанавливалась кольцевая линза из инертных материалов в соответствии с условиями, описанными в работах [6, 7]. Благодаря тому, что центральное отверстие линзы выполнялось с размерами, равными предельному диаметру детонации ВВ заряда, а периферийный зазор, был равен критической толщине слоя ВВ, детонационная волна имела более выпуклую форму. Это обеспечивало более поздний подход детонационной волны к периферийной части облицовки по сравнению с головной и большему вытягиванию медного ударника. При этом деформация алюминиевого ударника практически не зависит от формы детонационной волны. В результате такого исполнения удалось достичь дополнительного прироста глубины на 6-8 % без уменьшения диаметра канала. Вероятно, что еще более эффективным способом регулирования фронта детонационной волны является изготовление зарядов из различных типов ВВ в коаксиально-слоевом виде [8]

Заключение

Выполненные исследования позволили экспериментально установить механизм формирования

ударников при детонационном метании двухслойной облицовки сегментной формы с расположением слоев в порядке уменьшения акустических сопротивлений по отношению к заряду. Установлено, что в ограниченных условиях исследованные заряды обладают большей глубиной пробития по сравнению с зарядами с однослойной облицовкой, а также штатными зарядами типа «big hole». Существует резерв повышения пробивной способности представленных зарядов путем регулирования геометрии фронта детонационной волны, что позволяет отнести их к перспективным разработкам скважинной прострелочно-взрывной аппаратуры.

Литература

1. Г.И. Божко и др. Анализ состояния взрывных методов вторичного вскрытия и газодинамической обработки нефтегазовых пластов за рубежом // Каротажник, 78, 14-27 (2001).

2. А.Д. Савич, С.Я. Элбкинд. Вторичное вскрытие продуктивных пластов. Техника и технологии // Каротажник, 106, 123-125 (2003).

3. А.Р. Ликутов, В.М. Тебякин. Разработка нового поколения прострелочно-взрывной аппаратуры // Каротажник, 106, 93-105 (2003).

4. Ю.А. Тришин. О некоторых физических проблемах кумуляции // Прикладная механика и техническая физика, 41, 5, 10-26 (2000).

5. Пат. RU 2250359 C2, 20.04.2005.

6. Пат. RU 2391620 C2, 20.04.2009.

7. А.А. Мокеев, А.С. Сальников, Л.Х. Бадрет-динова, А.П. Евдокимов, А.А. Марсов // Вестник Казанского технологического университета, 17, 15, 268-269 (2014).

8. В.Я. Базотов, А.А. Мокеев, А.В. Станкевич, Т.П. Евсеева, А.П. Евдокимов. Изучение параметров функционирования коаксиально-слоевого кумулятивного заряда промышленного назначения // Взрывное дело. - 2015. - № 114-71. - С. 242-251.

© А. А. Мокеев - канд. техн. наук. доцент кафедры технологии твердых химических веществ КНИТУ, alexander_mokeev@mail.ru; А. А. Марсов - канд. техн. наук, доцент той же кафедры, explo_mars@mail.ru; А. П. Евдокимов -аспирант той же кафедры, fabshb@mail.ru.

© A. A. Mokeev - candidate of technical sciences, senior lecturer of the Department of technology of solid chemical substances in KNRTU, alexander_mokeev@mail.ru; A. A. Marsov - candidate of technical sciences, senior lecturer of the Department of technology of solid chemical substances in KNRTU, explo_mars@mail.ru; A. P. Evdokimov - postgraduate of the Department of technology of solid chemical substances in KNRTU, fabshb@mail.ru.