Устройство для возбуждения детонации в скважинных кумулятивных перфораторах
DEVICE FOR EXCITED DETONATION IN WALL CUMULATIVE PERFORATORS

Устройство для возбуждения детонации в скважинных кумулятивных перфораторах, относится к прострелочно-взрывной аппаратуре, и может быть использованодля инициирования взрывной цепи корпусных кумулятивных перфораторов, спускаемых в нефтяные и газовые скважины на насосно-компрессорных трубах (далее - НКТ).
Известна универсальная взрывная головка для перфорационной системы US5603384А, представляющая собой корпус с размещенным внутри поршнем сложной формы с двумя поверхностями уплотнения разных диаметров и центральным отверстием с установленным в нем штырем, который удерживает поршень от перемещения до момента среза штифтов при нагнетании давления в затрубное пространство. При нагнетании давления жидкости в трубное пространство поршень движется в противоположную сторону, срезая фиксатор сдвига. В обоих случаях при перемещении поршня освобождается ударник, который, под действием гидростатического давления накалывает средство инициирования и активирует взрывную цепочку.
В данной универсальной головке отсутствует циркуляция между трубным и затрубным пространством в любом исполнении головки, т.к. начальное и конечное положение поршня в любом случае перекрывает циркуляционные отверстия, что приводит к необходимости подъема сборки на НКТ после проведения прострелочно-взрывных работ. Причем в случае инициирования головки путем подачи давления в трубное пространство и последующего извлечения сработавшей сборки перфоратора на поверхность будет происходить разлив скважинной жидкости на устье скважины, и с целью предотвращения данного явления будет необходимо проводить дополнительные прострелочно-взрывные работы по пробитию отверстий в насосно-компрессорной трубе, что затратно по времени и увеличивает общие затраты на проведение ПВР.
Также, во всех вариантах исполнения головки необходимо применение специальных акустических средств фиксации срабатывания ПВА на устье (сейсмические датчики и т.д.) для фиксации срабатывания, т.к. никаких прямых признаков срабатывания головки не предполагается, и при проведении перфорации интервалов малой протяженности в горизонтальных скважинах, кроме как с применением сейсмодатчиков,зафиксировать срабатывание головки и перфосистемы затруднительно.
Известно «Устройство для возбуждения детонации в скважинных кумулятивных перфораторах» по патенту RU2612170, от 29.12.2015,опубликовано:02.03.2017, МПКE21B 43/1185 (2006.01), содержащее корпус и размещенные в нем ударный механизм и узел инициирования детонации,причем узел инициирования детонации гидравлически изолирован от скважины уплотнительными элементами, при этом ударный механизм выполнен в виде втулки с бойком, размещенным внутри последней и удерживаемым в ней при помощи фиксатора, при этом, в корпусе закреплена воронка с подвижно установленным ударником, выполненным с возможностью контактирования с бойком ударного механизма, на одном конце которого установлен резиновый колпачок, на другом размещены уплотнительные кольца, причем фиксатор бойка выполнен в виде цилиндрического пояска;толщина цилиндрического пояска на бойке составляет величину от 0,5 до 0,7 мм, а диаметр бойка составляет величину не более 6 мм;ударник зафиксирован от выпадения из воронки установочным винтом.
Данное устройство предназначено для работы в вертикальных и наклонно-направленных скважинах и не позволяет проводить прострелочно-взрывные работы в горизонтальных скважинахв связи с тем, что для активации головки необходимо применение инициирующего элемента – ударной штанги, которая в горизонтальном участке скважины полностью теряет свою кинетическую энергию.
Наиболее близким техническим решением является «Устройство для возбуждения детонации в скважинных перфораторах (варианты)» по патенту RU2 272 895от 10.08.2004,опубликовано: 27.03.2006. МПК E21B 43/1185 (2006.01), спускаемых в скважину на насосно-компрессорных трубах через переходник, соединенный с корпусом и размещенным в нем ударным механизмом с гидравлически изолированным устройством детонации головки, при этом ударный механизм реализован в виде направляющей втулки с узлом фиксации ударника, элементы фиксирования которого взаимодействуют соответственно с ударником через выемки на его внешней поверхности и втулкой, имеющей пазы для выхода элементов фиксации, кроме того, переходник выполнен соответственно с боковыми отверстиями для доступа скважинной жидкости в полость насосно-компрессорных труб и с калибровочным отверстием, центрирующим инициирующую штангу для взаимодействия полым наконечником с втулкой, причем движение ударника по внутренней поверхности направляющей втулки задано его массой и давлением в скважине.
Данное устройство позволяет работать в вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважинах, однако проведение работ с данной взрывной головкой подразумевают повышенные требования к чистоте внутренней полости насосно-компрессорных труб, в которые должен сбрасываться инициирующий головку элемент (ударная штанга, резиновый шар), а также затрудняются работы в условиях крайнего севера с низкими среднесуточными температурами, приводящими к постоянному замерзанию скважинной жидкости и необходимому пропариванию надземной части конструкции скважины.
Задачей предлагаемого технического решения является создание безопасного, простого и надежного инструмента для инициирования перфорационной системы, спускаемой на НКТ, при снижении аварийности и оптимизации процесса проведения прострелочно-взрывных работ на насосно-компрессорных трубах в нефтяных и газовых скважинах, в том числе горизонтальных,  при изменении внутреннего диаметра насосно-компрессорных труб от различных отложений, намерзаний, загрязнений, наличия шлама, и в условиях крайнего севера с низкими среднесуточными температурами.
Задача решена за счет устройства для возбуждения детонации в скважинных кумулятивных перфораторах, спускаемых в скважину на насосно-компрессорных трубах через переходник, соединенный с корпусом и с размещенным в нем ударным механизмом с гидравлически изолированным устройством детонации, при этом, корпус выполнен в виде двух частей – корпуса верхнего и корпуса нижнего; корпус верхний имеет циркуляционные отверстия, перекрытые ударным механизмом, состоящим из поршня,  и соединенного с ним с помощью резьбы штока, снабженного пружинным кольцом, установленным в центральном отверстии штока ударника, закрепленного от перемещения штифтом, втулки, соединенной со штоком посредством набора срезных штифтов, закрепляющих ударный механизм от перемещения; в корпусе верхнем расположена, защищающая поршень ударного механизма от воздействия посторонних предметов, стоп-шайба с вентиляционными отверстиями.
Выполнение корпуса в виде двух частей – корпуса верхнего и корпуса нижнего; и снабжение корпуса верхнего циркуляционными отверстиями, перекрытыми ударным механизмом, состоящим из поршня, соединенного с ним с помощью резьбы штока, снабженного пружинным кольцом, установленного в центральном отверстии штока ударника, закрепленного от перемещения штифтом, и втулки, соединенной со штоком посредством набора срезных штифтов, закрепляющих ударный механизм от перемещения, между корпусом нижним, корпусом верхним и ударным механизмом находится зафиксированный от прокручивания с помощью винта блок детонатора, размещающий в себе ударный детонатор; в корпусе верхнем расположена, защищающая поршень ударного механизма от воздействия посторонних предметов,стоп-шайба с вентиляционными отверстиями, позволяет в начальном положении поршня перекрывать циркуляционные отверстия, в то время, как в конечном положении поршня, после срабатывания, устройство  обеспечивает циркуляцию между трубным и затрубным пространством, что позволяет фиксировать срабатывание устройства манометром на устье скважины  при резком падении давления после среза регулирующих давление активации штифтов, без применения специальных акустических средств фиксации срабатывания устройства таких как сейсмические датчики и прочие, в отличие от аналогов.
Циркуляция между трубным и затрубным пространством, позволяет обходится без затратного по времени подъема сработавшей сборки перфоратора на НКТ после проведения прострелочно-взрывных работ, и избежать при этом неотвратимый разлив скважинной жидкости на устье скважины, а также, проведение дополнительных прострелочно-взрывных работ по пробитию отверстий в насосно-компрессорной трубе.
Устройства позволяет проводить прострелочно-взрывные работы в горизонтальных скважинах, поскольку срабатывает устройство под воздействием изменения состояния внутрискважинной среды, от повышения давления в трубном/затрубном пространстве, и в отличие от аналогов не требует коздействия кинетической энергии, работа устройства некритична к чистоте внутренней полости насосно-компрессорных труб.
Конструкция данного усройства позволяет применять его в качестве дублирующего, при  установке двух устройств в верхней и нижней частях сборки, для обеспечения управляемого инициирования двух отдельных сборок перфоратора за одну спуско-подъемную операцию, что удается за счет изначального перекрытия поршнем ударного механизма циркуляционных отверстий.
Конструкция устройства обеспечивает безопасность на поверхности, простоту сборки и регулировки давления срабатывания, безотказность и удобство при любых условиях эксплуатации, защиту от случайного срабатывания от воздействия внешних не предусмотренных работами факторов, гибкость и универсальность с точки зрения решения любых задач по проведению прострелочно-взрывных работ, информативность в части фиксации успешного срабатывания устройства.
Устройство для возбуждения детонации в скважинных кумулятивных перфораторах изображено на чертежах, где на фиг. 1 изображен продольный разрез устройства до срабатывания, на фиг. 2 изображен разрез А-А узла регулировки давления срабатывания, на фиг. 3 изображен продольный разрез устройства после срабатывания.
На фиг. 1 изображены: корпус 1 верхний, поршень 2, шток 3, ударник 4, штифт 5 ударника, пружинное разрезное кольцо 6, втулка 7, срезные штифты 8, корпус 9 нижний, блок 10 детонатора, ударный детонатор 11, ретранслятор 12 детонации, детонирующий шнур 13, переходник 14 перфоратора, труба 15 НКТ, циркуляционные отверстия 16, стоп-шайба 17.
На фиг. 2 изображен корпус верхний 1, шток 3, ударник 4, втулка 7, срезные штифты 8, корпус 9 нижний.
На фиг. 3 изображены: корпус 1 верхний, поршень 2, шток 3, ударник 4, штифт 5 ударника, пружинное разрезное кольцо 6, втулка 7, срезные штифты 8, корпус 9 нижний, блок 10 детонатора, переходник 14 перфоратора, труба НКТ 15, циркуляционные отверстия 16, стоп-шайба 17.
Устройство для возбуждения детонации в скважинных кумулятивных перфораторах выполнено следующим образом.
Корпус 1 верхний, выполнен в виде полого цилиндра с наружной резьбой с одной стороны и внутренней резьбой с другой стороны, во внутренней полости которого размещенударный механизм состоящий из поршня 2, штока 3, ударника 4, закрепленного внутри штока 3 с помощью фиксатора 5 ударника 4; пружинного кольца 6, установленного в канавке нижней части штока 4; втулки 7, имеющей равномерно расположенные по окружности отверстия для установки срезных штифтов 8, которые обеспечивают фиксацию исходного положения поршня 2, штока 3 и ударника 4, относительно втулки 7. Корпус 1 верхний  соединяется с корпусом 9 нижним, представляющий собой полый цилиндр с внутренними резьбами с обоих концов, с одной стороны для соединения с корпусом 1 верхним, с другой – с перфорационной системой.
На внутренней поверхности корпуса 9  нижнего имеется заужение диаметра, образующее ступеньку под установку блока 10 детонатора, а также имеется шпоночный паз для исключения прокручивания блока 10 детонатора  при установке средства инициирования – ударного детонатора 11.Ударный механизм в сборе закреплен от перемещения в начальном положении за счет зажима цилиндрического выступа втулки 7 между корпусом 1 верхним  и блоком 10 детонатора, установленном в корпусе 9 нижним. Блок 10  детонатора представляет собой цилиндрическое тело с центральным сквозным отверстием  и внутренней резьбой для крепления ударного детонатора 11. Нижняя часть корпуса 9 нижнего соединяется с перфорационной системой  спомощью переходника 14, размещающего в себе ретранслятор 12 детонации, установленном на отрезке детонирующего шнура 13.
На теле корпуса 1 верхнего  имеются циркуляционные отверстия 15 с диаметрами, обеспечивающими общую площадь, превышающую площадь сечения внутренней части трубы НКТ для беспрепятственного прохождения флюида в полость НКТ после срабатывания. В исходном положении циркуляционные отверстия 16 перекрыты уплотнительными кольцами поршня 2. В верхней части корпуса верхнего 1, над поршнем 2 устанавлена стоп-шайба 17, представляющая собой плоскую цилиндрическую шайбу со сквозными отверстиями, не препятствующими свободной циркуляции скважинной жидкости в зоне ударного механизма, при этом обеспечивающими защиту от инициирования посторонними предметами, в т.ч. геофизическими приборами в момент «привязки».
Сборку устройства для возбуждения детонации в скважинных кумулятивных перфораторах осуществляют следующим образом.
Поршень 2 с установленными уплотнительными кольцами накручивают на шток 3. В центральное отверстие штока 3 устанавливают ударник 4 и фиксируют с помощью штифта 5. В проточку штока устанавливают пружинное кольцо 6. Втулку 7 одевают на шток 3 до совпадения отверстий под срезные штифты 8 с канавкой штока, при установке пружинное кольцо 6 сжимается и находится в таком состоянии до срабатывания устройства. В отверстия втулки 7 равномерно по окружности (см. Фиг. 2), в зависимости от гидростатического давления в интервале планируемого расположения, устанавливают срезные штифты 8 в количестве, достаточном для обеспечения гарантированного запаса на величину не менее 7Мпа, выше гидростатического давления:
расч
гидр.
прикладываемое
Р=Р+Р,
где
расч
Р– расчетное общее давление активации головки,МПа;
гидр. –
Ргидростатическоедавление в интервале перфорации, МПа;
прикладываемое
прикладываемое
Р – давление, избыточно нагнетаемое с насосного агрегата, МПа. Р≥ 7 МПа
гидр.
-6
Р=g*10*с*Н,
2
где g–ускорение свободного падения, 9,8 м/с;
3;
с – плотность скважинной жидкости, кг/м
Н – высота столба жидкости в скважине по вертикали, м
Каждый срезной штифт 8 обеспечивает заданную величину давления среза, таким образом, давление срабатывания ударного механизма и ударного детонатора 11 задается количеством устанавливаемых срезных штифтов 8.
Пример расчета.
3
Каждый срезной штифт рассчитан на усилие среза 6 МПа. Имеется скважина, заполненная жидкостью с плотностью 1070кг/м, запланирован спуск сборки кумулятивного перфоратора на глубину 1988 м (интервал установки). Абсолютная глубина по вертикали составляет 1509 м. Гидростатическое давление в интервале установки составит:
гидр.
-6
Р= 9,8*10*1070*1509 = 15,8 МПа
прикладываемое
При условии величины необходимого запаса Р≥ 7 Мпа приближенное значение расчетного давления срабатывания составит не менее 15,8+ 7 = 22,8 МПа
прикладываемое.
Таким образом, с учетом величины давления среза на каждый штифт 6 МПа, при установке 4 штифтов давление активации составит 24 МПа, значение нагнетаемого агрегатом давления составит Р=  24 - 15,8 =  8,2 МПа.
Собранный ударный механизм устанавливают в верхний корпус 1 со стороны наружной резьбы до упора выступа втулки 7 в торец верхнего корпуса 1. Далее блок 10 детонатора устанавливаютв посадочное место нижнего переходника 9, при этом винт, исключающий прокручивание втулки попадает в шпоночный паз переходника. Затем осуществляют скручивание между собой верхнего корпуса 1 с установленным ударным механизмом и нижнего корпуса 9 с установленным блоком 10 детонатора. При полном скручивании конструктивно обеспечивают упор ударного механизма в блок 10 детонатора. Для защиты поршня 2 ударного механизма в корпус 1 верхний со стороны внутренней резьбы НКТ устанавливают стоп-шайбу 17.
Далее на устье скважины осуществляют заряжание собранного устройства – устанавливают ударный детонатор 11 с помощью специального приспособления, в зависимости от типа применяемого средства инициирования. Заряженную головку стороной с ударным детонатором 11 накручивают на переходник перфоратора 14 с установленным на детонирующем шнуре 13 ретранслятором 12 детонации.
После установки устройства приступают к спуску сборки перфоратора в скважину, первую трубу НКТ 15 вкручивают в резьбовую часть устройства, далее трубы НКТ скручивают между собой, наращивая длину сборки до величины, достаточной для позиционирования перфорационной системы в интервале перфорации.
Для точного позиционирования сборки в интервале перфорации осуществляют «привязку» к реперному патрубку, для этого применяют геофизические приборы, спускаемые на геофизическом кабеле. В случае возникновения какой-либо нештатной ситуации в виде поломки лебедки, срыва ролика, прихвата или отрыва прибора, есть вероятность падения прибора на ударный механизм устройства. Для предотвращения от случайного срабатывания, над ударным механизмом, между верхним корпусом 1 и трубой 15 НКТ устанавлена стоп-шайба 17, которая выдерживает любые нагрузки от падающих на головку случайных предметов, в том числе, от геофизических приборов, при этом стоп-шайба никак не ограничивает общую площадь проходного сечения потока жидкости в случае освоения скважины сразу после перфорации.
Устройство для возбуждения детонации в скважинных кумулятивных перфораторах работает следующим образом.
После позиционирования сборки в интервале перфорации осуществляют заполнение труб НКТ до устья скважины технической водой или жидкостью, предусмотренной планом работ. После полного заполнения НКТ устройство находится в исходном состоянии, что обеспечивают набором срезных штифтов 8 с общим усилием среза, превышающим гидростатическое давление заполненных до устья труб НКТ.
Для активации устройства на устье скважины подключают агрегат с насосом, (типа ЦА-320 или аналог), создают избыточное давление, превышающее гидростатическое давление в интервале расположения устройства на 7 МПа. При достижении расчетной величины давления срабатывания устройства от давления поршня 2, передающего усилие давления на шток 3 и происходит срез штифтов 8.
После среза данных штифтов 8, освободившийся от фиксации поршень 2 в сборе со штоком 3 и ударником 4 смещается в сторону втулки 10, при этом, ударник 4 бьет по детонатору 11 с энергией, достаточной для надежного инициирования. В момент удара по детонатору осуществляется срез штифта 5 и перемещение ударника 4 в отверстие штока 3. Фиксация ударника 4 срезным штифтом 5 с последующим срезом штифта, обеспечивает постоянство энергии удара по ударному детонатору 11, независимо от количества установленных срезных штифтов 8, задающим давление активации устройства.
После выхода за пределы внутреннего отверстия втулки 7 проточки штока, осуществляется разжатие пружинного кольца 6 и фиксация поршня в положении, изображенном на фиг. 3, то есть, с открытыми циркуляционными окнами 16.
На устье, в момент нагнетания давления с агрегата по манометру осуществляют контроль срабатывания. При открытии циркуляционных окон устройства после срабатывания, происходит резкое падение давления в трубном пространстве, фиксируемое по манометру агрегата на устье, что и обеспечивает безошибочный контроль срабатывания устройства без применения каких-либо сторонних приспособлений, требующих наличия на скважине геофизического подъемника с регистрирующим оборудованием.
Открытие циркуляционных окон и их фиксация в открытом состоянии также обеспечивает:
- возможность освоения скважины без извлечения сборки перфоратора на поверхность, что также обеспечивает экономию затрат и времени.
- исключения выливания жидкости на устье скважины при подъеме компоновки на поверхность.
Конструкция данного усройства позволяет применять его в качестве дублирующего, при  установке двух устройств в верхней и нижней частях сборки, для обеспечения управляемого инициирования двух отдельных сборок перфоратора за одну спуско-подъемную операцию, что удается за счет изначального перекрытия поршнем ударного механизма циркуляционных отверстий.
Предлагаемым техническим  решением является создание безопасного, простого и надежного инструмента для инициирования перфорационной системы, спускаемой на НКТ.
Техническим результатом является срабатывание устройства под воздействием изменения состояния внутрискважинной среды, от повышения давления в трубном/затрубном пространстве, и фиксация срабатывания по резкому падению этого давления после среза регулирующих давление активации штифтов, по манометру на устье, при снижении рисков нештатного инициирования устройства посторонними предметами, а также, свободный приток флюида после проведения перфорации, за счет выполнения корпуса в виде двух частей; корпус верхний имеет циркуляционные отверстия, перекрытые ударным механизмом, с втулкой, соединенной со штоком механизма, посредством набора срезных штифтов, закрепляющих ударный механизм от перемещения; в корпусе верхнем располагается стоп-шайба с вентиляционными отверстиями, защищающая поршень ударного механизма от воздействия посторонних предметов, что обеспечивает информативность в части фиксации успешного срабатывания устройства, и  исключает влияние внутреннего диаметра насосно-компрессорных труб, с учетом различных  внутритрубных отложений, намерзаний, загрязнений, наличия шлама,  на надежность активации сборки перфорационной системы.