Кумулятивный перфоратор со скеллопами (выемками) на корпусе
CUMULATIVE PERFORATOR WITH RECESSES ON THE BODY

Кумулятивный перфоратор со скеллопами (выемками) на корпусе относится к нефтегазодобыче, в частности к прострелочно-взрывным работам, и может быть использован для формирования кумулятивной струи заряда.
Для того чтобы сформировать кумулятивную струю заряда и свести к минимуму преграду для ее прохождения, для повышения эффективности кумулятивного заряда с увеличением глубины его проникновения в пласт, при минимальных деформациях корпуса, на внешней стороне корпуса перфоратора, в месте расположения кумулятивных зарядов, как правило, выполняют утончающие стенки корпуса скеллопы (выемки) различных модификаций.
Известно устройство [патент США US 6460463 B1; Oct. 8, 2002], в котором предложены варианты формы скеллопов, уменьшающих отражение волн сжатия от стенок выемки и их влияние на кумулятивную струю. Представлены скеллопы ступенчатые цилиндрические, с конической (выпуклой, вогнутой) боковой поверхностью и др.
Близким к нему по технической сути является устройство [патент США US 6523474 В2; Feb. 25, 2003], в котором боковая поверхность скеллопа может быть выполнена из материала, обладающего амортизирующими свойствами.
Известно устройство [патент США US 2005/0139352 A1; Jun. 30, 2005], в котором также ставится задача минимизировать потери пробивной способности кумулятивного перфоратора, за счет возможно большего извлечения стали в скеллопе из корпуса. Предлагаются скеллопы эллиптической формы, а также скеллопы с дополнительной выемкой в утоненной области.
Наиболее близким по технической сути является устройство [патент США US 2014/0041515 A1; Feb. 13, 2014] со скеллопами различной формы, в том числе и сферическими.
При этом как в прототипе, так и в аналогах отсутствуют конкретные соотношения между диаметром корпуса перфоратора, толщиной утоненной стенки корпуса в зоне выемки и радиусом сферической выемки, хотя очевидно, что эти пропорции не могут быть произвольными, поскольку геометрическая форма выемки влияет на формирование кумулятивной струи заряда, после прохождения которой образуются отверстия разной величины с трещинами и с заусенцами разной высоты, появляющимися вокруг отверстий, что в той или иной степени влияет на увеличение диаметрального габарита корпуса перфоратора после срабатывания и, в конечном счете, определяет эффективность скеллопов.
Задачей предлагаемого технического решения является уменьшение величины деформации корпуса после подрыва и сведение к минимуму величины заусенцев в зоне пробитых отверстий.
Задача решена за счет кумулятивного перфоратора со скеллопами (выемками) на корпусе, выполненными в месте расположения кумулятивного заряда сферическими, при этом соотношение радиуса сферической выемки к диаметру корпуса перфоратора составляет 0,2…0,8:1; отношение толщины утоненной стенки корпуса в зоне выемки к диаметру корпуса составляет величину 1:15…30.
Оптимизация геометрических размеров выемок на корпусе перфоратора в виде предлагаемых соотношений позволяет уменьшить величину деформации корпуса перфоратора после подрыва при сохранении стойкости корпуса к гидростатическому давлению, предотвратить растрескивание корпуса, свести к минимуму образование заусенцев в зоне пробитых отверстий в корпусе перфоратора, что в свою очередь способствует беспрепятственному извлечению корпуса перфоратора из скважины.
Суть предлагаемого технического решения пояснена чертежами, где на фиг. 1 изображен фрагмент корпуса кумулятивного перфоратора со скеллопом (выемкой), геометрия которого определена вышеуказанным соотношением.
На фиг. 2 изображен фрагмент корпуса кумулятивного перфоратора со скеллопом (выемкой), геометрия которого находится за пределами вышеуказанных соотношений.
На фиг. 3 - результаты моделирования с помощью специализированного программного обеспечения прохождения кумулятивной струи через преграду со сферической выемкой, выполненной согласно предлагаемому соотношению.
На фиг. 4 - с выемкой, но со значениями радиуса и толщины стенки в зоне утонения, выходящими за пределы предлагаемых в решении значений.
На фиг. 5 - схематичное изображение шести видов скеллопов, подвергшихся испытаниям, и фото по результатам лабораторных испытаний на площадке ООО «Промперфоратор», сведенных в таблицу.
На чертежах фиг. 1, 2 изображены корпус 1, кумулятивный заряд 2, скеллоп (выемка) 3, диаметр А корпуса перфоратора, радиус В сферической выемки, толщина С утоненной стенки корпуса, причем значения А, В, С находятся в пределах заявляемых в данном техническом решении соотношений: соотношение радиуса В сферической выемки к диаметру А корпуса перфоратора составляет 0,2…0,8:1, а отношение толщины С утоненной стенки корпуса в зоне выемки к диаметру А корпуса составляет величину 1:15…30.
Кумулятивный перфоратор со скеллопами (выемками) на корпусе выполнен следующим образом.
На корпусе 1 с диаметром А, с расположенным в нем кумулятивным зарядом 2, выполнена сферическая выемка 3 с радиусом В, образующая утонение стенки корпуса до величины С в центре сферической выемки, в предлагаемом соотношении, то есть соотношение радиуса сферической выемки к диаметру корпуса перфоратора составляет 0,2…0,8:1, а отношение толщины утоненной стенки корпуса в зоне выемки к диаметру корпуса составляет величину 1:15…30, что способствует уменьшению деформаций корпуса перфоратора, сведению к минимуму величины заусенцев на корпусе в зоне пробитых отверстий, исключает растрескивание корпуса, обеспечивая при этом высокую стойкость перфосистемы к гиростатическому давлению.
На фиг. 2: корпус 1, кумулятивный заряд 2, скеллоп (выемка) 3, диаметр корпуса перфоратора А, радиус сферической выемки В, толщина утоненной стенки корпуса С, причем значения А, В, С находятся за пределами заявляемых в данном техническом решении соотношений.
На фиг. 2 видно, что, так как соотношение радиуса к наружному диаметру корпуса превышает величину 0,8:1, в поперечном сечении трубы геометрия сферического скеллопа фактически превращается в плоскую площадку, при сохранении радиусной формы в продольном сечении корпуса. Данное допущение фактически приводит к исключению одного из положительных свойств заявляемой формы преграды на пути кумулятивной струи, то есть образованию после отстрела заусенцев вокруг пробитого в корпусе отверстия.
Данный факт наглядно изображен на фиг. 3 и фиг. 4, на которых виден результат моделирования пробития кумулятивным зарядом типа глубокого пробития с классической конической облицовкой (самый распространенный тип зарядов в настоящее время).
На фиг. 3 изображено два рисунка модели перфоратора в поперечном сечении, до и после прострела кумулятивной струей преграды, при этом на теле корпуса выполнена выемка 3 сферической формы с геометрическими параметрами, соответствующими заявляемому соотношению. Деформирование корпуса и заусенцы минимальные.
На фиг. 4 изображено два рисунка модели перфоратора в поперечном сечении, до и после прострела кумулятивной струей преграды, при этом на теле корпуса выполнена выемка 4 сферической формы с геометрическими параметрами, выходящими за пределы заявляемых значений эффективности. Отклонения от диаметра корпуса за счет заусенцев заметны.
Сравнивая изображения на фиг. 3 и фиг. 4 после отстрела видно, что геометрическая форма скеллопа 3 на фиг. 3 положительно влияет на характер и величину заусенцев 5, в смоделированной ситуации их величина сведена к минимуму.
На Фиг. 4 напротив видно, что эффективность выемки 4 сферической формы снижается при выходе за пределы соотношений, заявляемых в данном техническом решении, что приводит к образованию массивных заусенцев 6, негативно влияющих на извлекаемость перфоратора из скважины после отстрела.
Помимо компьютерного моделирования в специализированном программном обеспечении эффективность заявляемого технического решения подтверждена проведенными ООО «Промперфоратор» испытаниями на испытательном полигоне. Испытаниям подвергали одинаковые корпусы перфораторов с 6 видами скеллопов различной геометрической формы (фиг. 5).
На фиг. 5 - схематичное изображение шести видов скеллопов, подвергшихся испытаниям, и фотоматериалы по результатам испытаний.
На двух строчках таблицы из шести, 4 и 6 сверху, изображены заинтересовавшие испытателей скеллопы сферической формы, причем на одном из них (строчка 6) геометрия сферического скеллопа определяется указанным в техническом решении соотношением, на другой (строчка 4) - за пределами соотношения, то есть со значениями радиуса и толщины стенки в зоне утонения, выходящими за пределы предлагаемых в решении значений.
В результате испытаний установлено, что наилучший результат по величине заусенцев, величине и форме отверстия, отсутствию трещин показали скеллопы формы на 6 строчке таблицы (совпадает с результатом моделирования на фиг. 3), при этом для сравнения взяты результаты испытания скеллопов формы со строчки 4, которые так же, как и в форме со строчки 6, образованы сферой, но при этом радиус выемки выходил за пределы значений, указанных в данном техническом решении - соотношение радиуса выточки в диаметру корпуса перфоратора составил величину 2:1 и соотношение глубины утоненной части в зоне выточки к диаметру корпуса перфоратора составило 0,078.
По фотоматериалам, изображенным на фиг. 3, видно, что наилучшие результаты показывает форма скеллопов варианта со строчки 6 таблицы, заусенцы в зоне пробитых отверстий полностью отсутствуют, поперечный габарит перфоратора в зоне пробитых отверстий по форме со строчки 6 составил наименьшую величину (1-2 мм от изначального диаметра), при этом сферическая форма скеллопа с указанным радиусом является оптимальной и с точки зрения технологии изготовления.
Сведение к минимуму сопротивления для перфорационной струи с учетом строго определенной геометрической формы преграды сводит к минимуму (практически исключает) возникновение заусенцев и трещин на корпусе кумулятивного перфоратора, увеличивает стойкость корпуса перфосистемы к гидростатическому давлению, значительно снижает увеличение поперечного габарита корпуса после подрыва.
По результатам испытаний выяснили, что оптимальными являются следующие соотношения:
- отношение радиуса В сферической выемки к диаметру А корпуса перфоратора составляет 0,2…0,8:1;
- отношение толщины С утоненной стенки корпуса перфоратора в зоне выемки к диаметру А корпуса перфоратора 1:15…30.
Выполнение радиуса В сферической выемки меньше нижнего предела соотношений с диаметром А корпуса приводит к изменению уменьшению длины выточки в продольном сечении трубы, в результате чего положительный эффект от геометрической формы теряется, возникают заусенцы после подрыва, края кумулятивной струи теряют дополнительную энергию от прохождения дополнительной преграды, а выполнение радиуса В сферической выемки больше верхнего предела соотношения с диаметром А корпуса приводит к образованию плоской площадки при поперечном сечении корпуса.
Выполнение толщины С утоненной стенки меньше нижнего предела соотношений с диаметром А корпуса приводит к снижению стойкости корпуса перфоратора к гидростатическому давлению, а выполнение толщины С утоненной стенки больше верхнего предела соотношений с диаметром А корпуса приводит к потере эффективности скеллопов и образованию мощных заусенцев, препятствующих свободному извлечению перфоратора из скважины после подрыва.
Техническим эффектом заявляемого технического решения является значительное снижение деформаций корпуса перфоратора, сведение к минимуму величины заусенцев на корпусе в зоне пробитых отверстий, обеспечение высокой стойкости корпуса перфоратора к гидростатическому давлению за счет оптимизации геометрических соотношений выемок на корпусе перфоратора при следующих соотношениях: отношение радиуса сферической выемки к диаметру корпуса перфоратора составляет 0,2-0,8:1; отношение толщины утоненной стенки корпуса в зоне выемки к диаметру корпуса составляет величину 1:15…30.