Перфоратор с комбинированными зарядами

Полезная модель относится к устройству кумулятивных перфораторов и может быть использована в составе кумулятивных перфораторов в области газо- и нефтедобычи.
Бескорпусные кумулятивные перфораторы хорошо известны и обычно включают в себя множество зарядов капсул, установленных на монтажной плите или полосе с помощью множества зажимов или тому подобного. Однако эти устройства имеют ряд недостатков. Например, монтажная полоса для поддержки зарядов, как правило, является относительно хрупкой, поэтому при детонации она будет разбиваться на множество мелких кусочков. Помимо образования мусора в скважине после взрывов, полоса часто ломается, когда ее вводят в скважину. Кроме того, ограничена опорная поверхность для крышек блоков заряда, и, как следствие, крышки часто отделяются монтажной полосы во время взрывов и, таким образом, увеличивают количество мусора, а также снижается эффективность работы перфоратора. Кроме того, корпус зарядного устройства часто соединяется с крышкой таким образом, например, посредством обеспечения взаимодействующих нитей на каждой, что не обеспечивает достаточной фиксации корпуса на крышке, чтобы соответствовать довольно жестким отраслевым стандартам.
Известно устройство, содержащее заряд бризантного взрывчатого вещества с кумулятивной облицованной металлом выемкой, оболочку и газогенерирующий заряд из твердого топлива с отверстием по оси для формирования и прохождения кумулятивной струи. Устройство установлено в обсадную колонну с цементным кольцом (см. патент №2173767, МПК E21B 43/117 (2000.01), 2001 г.).
Известны способы крепления кумулятивного заряда в каркасе перфоратора и устройства для их реализации, включающие установку в предварительно выполненные в каркасе перфоратора отверстия корпуса кумулятивного заряда (см., например, патент RU 2211917 от 11.01.2002; патент RU 2091567 от 27.09.1997; патент RU 2091567 от 27.09.1997; US 4753301 публ. 1988-06-28; US 5095999 публ.1992-03-17).
Недостатками аналогов является сложность установки и недостаточно высокая технологичность установки кумулятивных зарядов в отверстиях каркаса, обусловленная выполнением фиксации кумулятивных зарядов в отверстиях каркаса посредством дополнительных крепежных деталей.
Известен модуль перфоратора кумулятивного, содержащий каркас и размещенные в нем кумулятивные заряды. В местах размещения головок кумулятивных зарядов в каркасе выполнены отверстия с примыкающими к краям отверстий выемками и выступами, расположенными соответственно на противоположных краях отверстий.  На головке каждого кумулятивного заряда размещен кольцевой буртик с образованием между ним и корпусом кумулятивного заряда канавки, ширина которой определяется толщиной стенки каркаса. В кольцевом буртике выполнены лыски, расположенные диаметрально противоположно (аналог – полезная модель №70930 МПК 8 Е21В 43/117 от 19.10.2007).
Недостатком аналога является недостаточно высокая надежность крепления кумулятивного заряда в каркасе перфоратора, обусловленная выполнением фиксации кумулятивного заряда в отверстиях каркаса посредством примыкающих к краям отверстия выемок и выступов. Причем фиксация заряда осуществляется со стороны головки, имеющей минимальный диаметр и предназначенной для приема детонирующего шнура.
Известен кумулятивный заряд, снабженный адаптером для удержания и установки кумулятивного заряда нестандартного размера в стандартную загрузочную трубку полого пистолета-носителя. Адаптер может включать в себя сборку корпуса, имеющую внутреннее отверстие для удержания относительно небольшого кумулятивного заряда и внешнюю поверхность, размер которой устанавливается для установки в стандартную загрузочную трубку через стандартную оболочку. Альтернативно, адаптер может включать улучшенную оболочку, имеющую внутренние ребра для поддержки относительно небольшого кумулятивного заряда и внешнюю поверхность для установки кумулятивного заряда в стандартной загрузочной трубке относительно большого пистолета в каркасе корпусного перфоратора, содержащие корпус с цилиндрической и конической частями, с узлом для фиксации детонирующего шнура (аналог - патент US 7347279 В2 (заявка 2005173118), МПК Е21В 43/116, 2008 г.).
Основным недостатком является недостаточная эффективность фиксации кумулятивного заряда в каркасе корпусного перфоратора. Кроме того, адаптер кумулятивного заряда в данном случае несет только функцию держателя и не участвует в повышении эффективности работы кумулятивного заряда.
).
Известно устройство для крепления кумулятивного заряда в каркасе перфоратора, содержащее отверстия для размещения кумулятивного заряда, выполненные на диаметрально противоположных сторонах каркаса перфоратора. В каркасе перфоратора выполнены два фиксирующих лепестка в районе установки кумулятивного заряда в местах, ближайших к корпусу кумулятивного заряда после его установки в каркас перфоратора. Фиксирующие лепестки выполнены путем прорезания корпуса каркаса перфоратора по незамкнутой линии П-образной формы или С-образной формы. Фиксирующие лепестки расположены напротив проточки на внешней стороне корпуса кумулятивного заряда. Места расположения фиксирующих лепестков максимально удалены от осей отверстий для размещения кумулятивного заряда (аналог – патент РФ №2378498, МПК E21B 43/117 (2006.01), 2010 г.
Недостатком является недостаточная эффективность фиксации кумулятивного заряда в каркасе корпусного перфоратора. Кроме того, кумулятивный заряд в данном устройстве выполнен без адаптера, что снижает эффективность работы заряда и перфоратора в целом.
)
Известно устройство для крепления кумулятивного заряда в каркасе перфоратора, содержащее отверстия для размещения кумулятивного заряда и проточку во внешней стороне корпуса кумулятивного заряда. Кумулятивные заряды установлены в эти отверстия, располагающиеся в каркасе перфоратора по винтовой линии с углом Х и шагом Y фиксирующие элементы. Фиксирующие элементы выполнены в виде цилиндрического кожуха, имеющего на внешней стороне выступы, расположенные напротив друг друга. Отверстия каркаса для установки фиксирующих элементов имеют прямоугольные пазы, выполненные с возможностью взаимодействия в процессе установки фиксирующих элементов с выступами фиксирующих элементов. Фиксирующие элементы установлены за счет перемещения вдоль оси отверстий каркаса со стороны отверстия, имеющего прямоугольные пазы, до их касания с наружной поверхностью каркаса и поворота фиксирующих элементов вокруг их оси после попадания выступов фиксирующих элементов в пазы отверстий каркаса (аналог – патент РФ №2698342, МПК E21B 43/117 (2006.01), 2019 г..
Недостатком является сложность конструкции, недостаточная эффективность фиксации кумулятивного заряда в каркасе корпусного перфоратора. Кроме того, указанные фиксирующие элементы не участвуют в работе кумулятивного заряда.
Как показали проведенные исследования, существует потребность в адаптере для повышения эффективности работы кумулятивных зарядов. Но наряду с этим, существует проблема по установке и удержанию кумулятивного заряда, снабженного адаптером.
Известны патенты, в которых описаны кумулятивные заряды, содержащие адаптер (аналоги - CN №103590792, МПК E21B43/116, 2014 г., CN №201202456, МПК  E21B43/116; E21B43/119, 2009 г.).
В указанных решениях адаптер несет функцию дополнительного энергетического заряда.
Недостатком аналогов является недостаточная эффективность фиксации кумулятивного заряда с адаптером в каркасе корпусного перфоратора т.к. при инициировании кумулятивного заряда от детонирующего шнура противодействие от зажима фиксатором должно быть достаточно высокое для накопления энергии и обеспечения эффективности работы кумулятивного заряда.
Известен перфоратор, в каркасе которого установлены кумулятивные заряды с адаптером, причем бортики адаптера плотно облегают корпус заряда, а сам адаптер зафиксирован за счет упругости каркаса перфоратора (см. патент CN №2695631, МПК E21B43/116; E21B43/263, 2005,).
Недостатком данного решения является недостаточная эффективность фиксации кумулятивного заряда с адаптером в каркасе корпусного перфоратора, а это может привести к снижению пробивной силы кумулятивного заряда, т.к. при инициировании кумулятивного заряда от детонирующего шнура противодействие от зажима фиксатором должно быть достаточно высокое для накопления энергии и обеспечения эффективности работы кумулятивного заряда.
Известен перфоратор кумулятивный, содержащий каркас и размещенные в нем кумулятивные заряды. В местах размещения торцевой части кумулятивных зарядов в каркасе выполнены отверстия с диаметрально расположенными выступами, а на внешней поверхности каждого корпуса кумулятивного заряда выполнены торцевой кольцевой и отстоящий от него кольцевой буртики с образованием между ними канавки. Ширина канавки определяется толщиной стенки каркаса. В каждом расположенном ближе к средней части корпуса кумулятивного заряда кольцевом буртике выполнены лыски, расположенные диаметрально противоположно, при этом расстояние между диаметрально расположенными выступами каркаса равно или больше расстояния между плоскостями лысок, но не более диаметра канавки (см. патент RU 2368763 C2, МПК E21B 43/117 (2006.01), 2009 г.). Данное решение принято за прототип.
Недостатком прототипа является низкая эффективность работы кумулятивного заряда, поскольку его мощности недостаточно для получения в породе трещин требуемого размера и глубины.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является обеспечение повышенной эффективности работы кумулятивных зарядов перфоратора при надежной их фиксации в каркасе перфоратора.
Поставленная проблема решается за счет того, что в известном перфораторе, содержащем каркас с множеством выполненных в нем установочных отверстий с закрепленными в них зарядами, причем установочные отверстия выполнены с выступами для взаимодействия с ответными буртиками, выполненными на зарядах, обеспечивая возможность поворота и фиксации заряда в установочном отверстии каркаса, в соответствии с полезной моделью заряды выполнены комбинированными, состоящими из кумулятивного заряда, снабженного адаптером с топливной шашкой,  причем буртики выполнены на наружной стенке адаптера.
Контактные поверхности выступов установочных отверстий и буртиков адаптера выполнены с возможностью фиксации.
Технический результат от использования каждого существенного признака полезной модели заключается в повышении эффективности работы перфоратора за счет установки в каркасе перфоратора комбинированных зарядов, состоящих из кумулятивного заряда с адаптером, снабженным топливной шашкой. При этом обеспечивается повышенная эффективность фиксации в каркасе корпусного перфоратора комбинированных зарядов, состоящих из кумулятивного заряда и адаптера.
Выполнение зарядов комбинированными, состоящими из кумулятивного заряда, снабженного адаптером с топливной шашкой, с выполненными на наружной стенке адаптера буртиками, обеспечивает повышение эффективности работы перфоратора при надежной фиксации в каркасе корпусного перфоратора комбинированного заряда, состоящего из кумулятивного заряда с адаптером.
Установка каждого комбинированного заряда, состоящего из кумулятивного заряда с соединенным с ним адаптером, с возможностью поворота и фиксации в установочном отверстии каркаса относительно выступов, выполненных в установочных отверстиях каркаса, обеспечивает повышение эффективности работы перфоратора. Надежность фиксации комбинированного заряда в каркасе корпусного перфоратора обеспечивает повышение эффективности его работы.
Фиг.1 – каркас перфоратора с комбинированными зарядами;
Фиг.2 – продольное сечение каркаса по месту установки заряда;
Фиг. 3 – общий вид адаптера, первый вариант исполнения;
Фиг. 4 – поперечное сечение адаптера, первый вариант исполнения;
Фиг. 5 – общий вид адаптера, второй вариант исполнения;
Фиг. 6 – поперечное сечение адаптера, второй вариант исполнения.
Перфоратор содержит каркас 1, выполненный со множеством установочных отверстий 2а, 2б (см. фиг. 1). Установочные отверстия 2а, 2б выполнены на диаметрально противоположных сторонах каркаса 1 перфоратора (см. фиг. 2). Каждая пара отверстий 2а, 2б предназначена для установки одного комбинированного заряда 3. В указанных установочных отверстиях 2а, 2б установлены комбинированные заряды 3, каждый из которых состоит из кумулятивного заряда 4, снабженного адаптером 5 с топливной шашкой 6. Топливная шашка 6 может быть выполнена, например, твердотопливной. Установочные отверстия 2а каркаса 1 перфоратора, имеющие больший диаметр, снабжены выступами 7. Выступы 7 установочных отверстий 2а каркаса 1 расположены на диаметрально противоположных сторонах указанного отверстия.
На наружной стенке 8 каждого адаптера 5, соединенного с соответствующим кумулятивным зарядом 4, выполнено по два буртика 9. Ширина выступов 7 соответствует ширине ответных буртиков 9, выполненных на наружной стенке 8 каждого адаптера 5. Каждый из комбинированных зарядов 3 закреплен в каркасе 1 перфоратора за счет поворота адаптера 5, надетого на кумулятивный заряд 4, в установочном отверстии 2а каркаса и фиксации его буртиков 9 под выступами 7, выполненными в установочных отверстиях 2а.
Буртики 9, выполненные на наружной стенке 8 каждого адаптера 5, расположены на его диаметрально противоположных сторонах.
Контактные поверхности 10 выступов 7 установочных отверстий 2а и буртиков 9 адаптеров 5 выполнены с возможностью надежной фиксации комбинированных зарядов 3 в отверстии 2а.
Сборка осуществляется следующим образом.
При снаряжении каркаса 1 перфоратора, после установки кумулятивных зарядов 4 в соответствующие установочные отверстия 2а, 2б каркаса, на каждый кумулятивный заряд 4 устанавливают адаптер 5 с топливной шашкой 6. Затем адаптер 5 поворачивают так, чтобы его буртики 9 были расположены под выступами 7, выполненными в установочных отверстиях 2а для плотной посадки. Для надежного закрепления комбинированных зарядов 3 в каркасе 1 перфоратора, адаптер 5 поворачивают примерно на 45 градусов в любую сторону до совмещения выступов 7 установочных отверстий 2а и буртиков 9 адаптера и их фиксации относительно друг друга. Выступы 7, выполненные на отверстиях 2а каркаса 1, воздействуя на буртики 9 адаптера 5, надежно прижимают его к кумулятивному заряду 4 с образованием единого комбинированного заряда 3.
Кумулятивный заряд 4 состоит из корпуса 11, запрессованного в него взрывчатого вещества (ВВ) 12 и кумулятивной облицовки 13. При инициировании кумулятивного заряда 3 от детонирующего шнура (условно не показан) происходит его срабатывание (детонация). Огромное давление взрыва деформирует кумулятивную облицовку 13, происходит ее схлопывание, формируется кумулятивная струя, которая, обладая большой кинетической энергией, пробивает корпус перфоратора, обсадную колонну, цементное кольцо скважины и продуктивный пласт в скважине.
Облицовка 13 кумулятивного заряда изготовлена преимущественно из порошковых материалов, получена методом прессования.
Конструкция адаптера 5 в одном варианте (см. фиг. 3) представляет собой сферическую чашку. На наружной стенке 8 адаптера 5 выполнено по два буртика 9. На верхней части 14 чашки выполнены выступы 15 для возможности поворота адаптера.
Во втором варианте исполнения (см. фиг. 4), адаптер 5 выполнен со сплошным буртиком 9 и с бортами 16 по наружному диаметру буртика 9. Борта 16 расположены на диаметрально противоположных сторонах. В таком варианте исполнения выступы 7 установочных отверстий 2а для фиксации комбинированного заряда 3 контактируют с бортами 16.   Фиксация адаптера 5 в каркасе 1 обеспечивается за счет того, что борт 16 после поворота своими кромками упирается в образующую внутренней цилиндрической поверхности каркаса 1.
В любом варианте исполнения в сферическую чашку адаптера 5 запрессовывается или вклеивается топливная шашка 6. Масса топливной шашки 6 может набираться из кусков (секторов) твердотопливного элемента, для заполнения внутренней поверхности адаптера. В чашке адаптера 5 и шашке 6 предусмотрено центральное отверстие 17 вдоль оси для свободного формирования кумулятивной струи при схлопывании облицовки.
Адаптер 5 может быть выполнен из термитного состава (алюминиевые сплавы или цинковые сплавы с оксидами металлов, выступающих в роли окислителя), из инертных материалов (резиновые материалы, различные виды пластика), из стали, из термореактивных полимеров.
Адаптер 5 с топливной шашкой 6 выступает в роли фиксатора комбинированного заряда 3 в каркасе 1 перфоратора, а также выполняет функцию воздействия на канал, способствуя увеличению трещиноватости.
Так как скорость детонации топливной шашки 6 ниже, чем у взрывчатого вещества 12 кумулятивного заряда 4, в процессе формирования кумулятивной струи при срабатывании заряда, газы увлекают частицы топливной шашки 6 и фрагменты адаптера 5, состоящего из термитного состава, в канал, формируемый в пласте, где и происходит интенсивное горение топливной шашки 6 с выделением избыточного давления, способствуя интенсивному формированию трещин.
Термитный состав адаптера 5, подвергаясь воздействию повышенной температуры и давлению за время схлопывания кумулятивной облицовки 13, выделяет высокоактивный свободный кислород, способствуя выделению значительного количества энергии, обеспечивая очищение канала от фрагментов облицовки.
Заявленная полезная модель может быть изготовлена с использованием существующих технологий и описанных выше материалов.
Заявленная полезная модель может быть использована в составе кумулятивных перфораторов в области газо- и нефтедобычи.