КОРПУС КУМУЛЯТИВНОГО ПЕРФОРАТОРА МНОГОКРАТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Полезная модель относится к прострелочно-взрывной аппаратуре, применяемой в горной промышленности для вторичного вскрытия нефтяных и газовых скважин, и может быть использована в кумулятивных перфораторах многократного использования.
2
Известен кумулятивный перфоратор (см. Фридляндер Л.Я., М. «Недра», 1985. Прострелочно-взрывная аппаратура и ее применение в скважинах, с.24-28, 135-142), выбранный заявителем в качестве прототипа, содержащий корпус из высоколегированной стали, стенки которого снабжены герметизируемыми окнами (отверстиями) для прохода кумулятивных струй, закрытый с нижней стороны наконечником, а с верхней - головкой; резьбы на концах корпуса позволяют непосредственно соединять между собой два или три корпуса. При этом корпус изготовлен из стали с высоким пределом текучести при растяжении (порядка 900-1000 МПа) в сочетании с большой ударной вязкостью (порядка 100 Дж/см).
Недостатком данного устройства недостаточная прочность корпуса, его деформации при взрыве зарядов.
Технической задачей полезной модели является повышение эксплуатационной стойкости корпуса кумулятивного перфоратора многократного использования.
2
Для достижения поставленной задачи корпус кумулятивного перфоратора многократного использования, состоящий из одной или более секций, соединенных между собой посредством резьбовых соединений, стенки которого снабжены ствольными отверстиями для прохода кумулятивных струй, закрытый с нижней стороны наконечником, а с верхней - головкой, соединенными с корпусом посредством резьбовых соединений, согласно полезной модели, изготовлен из стали, имеющей следующее сочетание характеристик: предел текучести при растяжении - не менее 1200 МПа, предел прочности - не менее 1300 МПа, относительное сужение - 52-58% при показателе ударной вязкости 70-80 Дж/см, а резьбовые соединения обработаны алмазной пастой.
Кроме того, в полости корпуса установлена резиновая втулка.
Изготовление корпуса из стали с указанным комплексом прочностных свойств и ударной вязкости обеспечивает благоприятное сочетание характеристик прочности и вязкости металла корпуса перфоратора, что способствует уменьшению деформаций корпуса после взрыва зарядов, препятствует образованию мелких радиальных трещин и раздутию корпусов, т.е. значительно повышает эксплуатационную стойкость корпуса перфоратора.
Обработанные алмазной пастой резьбовые соединения имеют повышенную микротвердость и улучшенное качество поверхностного слоя, что способствует повышению их стойкости и увеличению срока службы, что обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости корпуса перфоратора.
Применение резиновой втулки в полости корпуса перфоратора способствует поглощению продуктов взрыва, уменьшает вредное воздействие осколков зарядов на корпус перфоратора и воздействие ударной волны на наконечные детали перфоратора, а следовательно, повышает эксплуатационную стойкость корпуса перфоратора.
Патентные исследования не выявили технических решений, характеризующихся заявляемой совокупностью признаков, следовательно, можно предположить, что указанное техническое решение соответствует критерию «новизна».
Кроме того, предлагаемое техническое решение может быть изготовлено на стандартном оборудовании в промышленных масштабах и найдет применение в горной промышленности для вторичного вскрытия нефтяных и газовых скважин, что соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен корпус кумулятивного перфоратора многократного использования.
Корпус перфоратора состоит из одной или нескольких секций 1. С нижней стороны корпус закрыт наконечником 2, а с верхней - головкой 3. Стенки корпуса снабжены ствольными отверстиями 4 для прохода кумулятивных струй. В полости корпуса установлена резиновая втулка 5.
Корпус перфоратора работает следующим образом:
После установки в корпус кумулятивных зарядов перфоратор опускают в скважину на заданную глубину, производят задействование устройства инициирования (на фиг. не показано) и подрывают кумулятивные заряды (на фиг. не показаны). Кумулятивные заряды при их срабатывании пробивают корпус перфоратора, обсадную колонну скважины, цемент в заколонном пространстве скважины и образуют в пласте перфорационные каналы.
Корпусы кумулятивных перфораторов работают в условиях ударного действия нагрузок. Напряжения и деформации при ударном нагружении оказываются значительно большими, чем при статическом. Поэтому к деталям и изделиям, работающим в таких условиях, предъявляются повышенные требования по прочности.
С другой стороны, при ударном нагружении развивается склонность к хрупкому разрушению. Характеристикой склонности материала к хрупкому разрушению является ударная вязкость. Поэтому детали и изделия, работающие в условиях ударного нагружения, также должны обладать высокой ударной вязкостью.
Т.е. детали и изделия, работающие в условиях ударного нагружения, должны обладать достаточной прочностью в сочетании с высокой ударной вязкостью.
Прочность и ударная вязкость обычно взаимоисключающие характеристики: чем выше прочность, тем меньше значение ударной вязкости, и наоборот. Чем прочнее любой кристаллический материал, но тем более он хрупок, непластичен.
При повышении прочностных характеристик металла (предела прочности и предела текучести) наблюдается значительное снижение характеристик пластичности (ударной вязкости и относительного сужения).
Поэтому, если обеспечить оптимальное сочетание прочностных свойств и характеристик пластичности, можно значительно повысить эксплуатационную стойкость корпусов перфораторов.
Общепринятых показателей характеристик металлов при ударном нагружении нет, поскольку они существенно зависят от характера и скорости нагружения, а также от особенностей конструкции изделия.
Для определения свойств стали при ударных нагрузках в каждом конкретном случае проводят натурные или модельные испытания.
Для определения эксплуатационной стойкости корпусов перфораторов были проведены испытания с использованием усиленных кумулятивных зарядов ЗПК-105М во Всероссийском НИИ технической физики (Российский Федеральный Ядерный центр, г.Снежинск), а также ОАО «Самаранефтегеофизика» (г.Самара) корпусов перфораторов ПК-105Т, подвергнутых термической обработке на разную прочность и ударную вязкость. Условия испытания (на воздухе) были существенно более жесткими, чем в скважинах.
При испытаниях многократно изменяли комплекс механических свойств стали.
2
При изготовлении корпуса из стали с характеристиками в соответствии с рекомендуемыми в прототипе - предел текучести 900-1000 МПа, ударная вязкость 100 Дж/см, получили сильные деформации корпуса, трещины и раздутие корпусов на 5-10 залпе, что свидетельствует о недостаточной прочности, а с другой стороны, об избыточном значении характеристик пластичности.
Увеличивая прочностные свойства (предел текучести при растяжении не менее 1200 МПа, предел прочности не менее 1300 МПа) при тех же значениях характеристик
пластичности, получили недопустимое раздутие уже на 10-12 залпе, что свидетельствует о достаточной прочности, но об избыточном значении характеристик пластичности.
2
Увеличивая прочностные свойства (предел текучести при растяжении не менее 1200 МПа, предел прочности не менее 1300 МПа) и снижая характеристики пластичности (ударная вязкость 70-80 Дж/см, относительное сужение 52-58%), получили наибольшую стойкость корпусов перфораторов на воздухе - 20-25 залпов.
2
Уменьшая показатели пластичности еще более (ударная вязкость менее 70 Дж/см, относительное сужение менее 52%) при тех же прочностных свойствах, получили трещины и разрывы корпуса на меньшем количестве залпов (до 10 залпов), что свидетельствует о недостаточном значении характеристик пластичности.
2
Таким образом, наибольшую стойкость корпусов перфораторов при испытании на воздухе получили при следующем сочетании характеристик: предел текучести при растяжении - не менее 1200 МПа, предел прочности - не менее 1300 МПа, относительное сужение - 52-58%, ударная вязкость 70-80 Дж/см.
Проведенные промышленные испытания в скважине ОАО «Самаранефтегеофизика» подтвердили высокую стойкость корпусов: в среднем 30-35 залпов, а в некоторых случаях 50-60 залпов. Основной причиной выхода из строя является деформация ствольных отверстий либо их прожиг, это особенность конкретных зарядов. Деформация самого же корпуса после подрыва снарядов значительно снижена, раздутие корпусов незначительное.
2
Таким образом, проведенные испытания позволили установить необходимый комплекс механических свойств стали, обеспечивающих повышенную «живучесть» корпусов перфораторов при сохранении их стандартных размеров: предел текучести при растяжении - не менее 1200 МПа, предел прочности - не менее 1300 МПа, относительное сужение - 52-58%, ударная вязкость 70-80 Дж/см.
Разработанные корпуса перфораторов ПК-105Т в течение нескольких лет проходили испытания на различных глубинах в различных геофизических организациях с использованием и других зарядов (ЗПК-105Н-БО, ЗПК-105Н-ГП, ЗПК-105 AT, ЗПК-105 DN-01). При этом усредненный ресурс эксплуатации разработанных корпусов перфораторов ПК-105-7 составляет 30 залпов, а в некоторых случаях достигает 50-60 выстрелов.