Устройство для последовательного инициирования перфорационной системы
DEVICE FOR SUCCESSIVE INITIATION OF PERFORATING SYSTEM

Устройство для последовательного инициирования перфорационной системы относится к нефтегазовой отрасли, а именно к конструктивной части перфорационных систем, спускаемых в нефтяные или газовые скважины на геофизическом кабеле, и инициируемым электродетонаторами, и может быть применено для перфорации разрозненных интервалов за одну спускоподъемную операцию для общепринятых безопасных и широко распространённых на рынке РФ средств инициирования, срабатывающих от высокочастотного импульса переменного тока.
Известно устройство селективного переключателя для скважинного перфоратора US20100208408 A1, представляющего собой устройство для последовательной активации секций кумулятивного перфоратора в скважине, включающий в себя диод, адаптированный для передачи электрического тока в ответ на положительный или отрицательный ток, устройство, способное изменять полярность тока от воздействия света, реле, соединенное таким образом, что переключение из первого во второе положение в ответ на изменение полярности тока происходит за счет последовательного соединения диода, первой катушки реле и устройства, обеспечивающего изменение полярности от воздействия световой волны. Устройство также включает переключатель, корпус; переключатель имеет крепление для диода, устройства изменения направления постоянного тока и реле, а также имеет окно для протекания света снаружи переключателя в устройство, изменяющее полярность тока.
Известен также аналог по патенту US 8387533 B2, представляющий собой скважинный переключатель срабатывания кумулятивного перфоратора, включающий в себя кожух, корпус, имеющий первую и вторую стороны с расширяющимся сквозным отверстием между ними, корпус находится в кожухе таким образом, что второй конец подвержен воздействию детонационной ударной волны; первый электрический контакт, прилегающий к первой стороне корпуса, проводник, расположенный в отверстии; второй электрический контакт, расположенный в отверстии, примыкающем к корпусу второго конца; промежуточный электрический контакт, расположенный в отверстии между первым и вторым контактами, термопластичный полимерный изолятор, находящийся во втулке между промежуточным и вторым контактами, при этом устройство имеет две позиции: в первой позиции промежуточный контакт, проводящая втулка и нижний контакт замкнуты, а промежуточный и  верхний контакты разомкнуты, во второй позиции верхний и промежуточный контакты замкнуты, а промежуточный и нижний контакты разомкнуты.
Недостатком обоих аналогов является невозможность применения данной конструкции устройства с электродетонаторами и взрывными патронами производства РФ, срабатывающими от высокочастотного импульса переменного тока.
Наиболее близким техническим решением является «устройство последовательного инициирования перфорационной системы» по патенту RU 2561828 С2 от 21.11.2013, опубликовано: 10.09.2015,  МПК E21B 43/1185, F42C 15/40, содержащее корпус, электрический провод, поршень, картридж, внутри которого размещены шнур детонирующий, устройство передачи детонации, электродетонатор, контакт верхний, отличающееся тем, что снабжено подвижным электрическим контактом, расположенным на первой торцевой части поршня, обращенной к контакту верхнему, верхняя часть поршня выполнена конической формы, на второй торцевой части поршня выполнено глухое отверстие с диаметром, равным диаметру верхнего конца электрического контакта нижней секции перфоратора.
Основным недостатком данного прототипа является высокая вероятность одновременного срабатывания нескольких электродетонаторов и, соответственно, инициирования секций перфоратора, причем количество одновременно срабатывающих секций также может изменяться. Причиной данного недостатка является длительность импульса, выдаваемого с взрывных приборов, предназначенных для инициирования отечественных электродетонаторов ЭД-ПН-М и взрывных патронов ПВПД-Н – паспортная величина «не менее 10 мс» зачастую может перерасти в 400 мсек, что приводит, с учетом скорости быстропротекающих процессов детонации шнура и зарядов в секциях, к переключению нескольких узлов последовательного инициирования, срабатывающих от давления продуктов детонации, одновременному подключению нескольких электродетонаторов к центральной цепи перфоратора и, соответственно, их одновременному срабатыванию в месте расположения одного из нескольких разрозненных интервалов. Данный факт был установлен полигонными и опытно-промышленными испытаниями, что в целом делает вышеописанной конструкцию неработоспособной.
Задачей предлагаемого технического решения является создание надежной, работоспособной, технологичной системы последовательного срабатывания секций перфоратора с применением отечественных средств инициирования.
Задача решена за счет устройства для последовательного инициирования перфорационной системы, содержащей  корпус устройства, электродетонатор, шнур детонирующий, электрический провод, устройство передачи детонации, поршень, при этом поршень расположен в корпусе, выполненном в виде цилиндра со ступенчатым сквозным отверстием; поршень имеет уплотнительную и инициирующую части и зафиксирован в корпусе от перемещения фиксирующей шайбой; поршень изолирован от корпуса втулкой-изолятором и изолирующей шайбой; в механическую цепочку переключения контактов дополнительно включен электронный блок переключения контактов, выполненный в виде электронного ключа, срабатывающего от изменения состояния датчика.
Выполнение корпуса устройства в виде цилиндра со ступенчатым сквозным отверстием позволяет обеспечить заданный ход поршня и, соответственно, безошибочно передать сигнал о срабатывании на датчик и подключить к центральному проводу перфоратора следующий электродетонатор.
Снабжение поршня уплотнительной и инициирующей частями и фиксирование его в корпусе от перемещения фиксирующей шайбой позволяет увеличить время переключения, предохранить устройство от нештатного переключения на поверхности и герметизировать подключенный электродетонатор от скважинной жидкости в сработавшем перфораторе, что позволяет исключить вероятность срабатывания нескольких электродетонаторов за один импульс с взрывного прибора.
Изоляция поршня от корпуса втулкой-изолятором и изолирующей шайбой позволяет обеспечить транзитную передачу электрического сигнала от верхней секции к промежуточной, от промежуточной секции к нижней через поршень.
Включение в механическую цепочку переключения контактов дополнительно электронного блока переключения контактов, выполненного в виде электронного ключа, срабатывающего от изменения состояния датчика, позволяет регулировать время срабатывания, что также позволяет исключить вероятность срабатывания нескольких электродетонаторов за один импульс с взрывного прибора.
Снабжение устройства или индуктивным, или датчиком давления, или фоточувствительным датчиком позволяет применять устройства в скважинах с различными средами.
Таким образом, все признаки, включенные в независимый пункт формулы, предлагаемое взаиморасположение элементов устройства и их взаимодействие  обеспечивают, при подаче одного импульса с взрывного прибора, срабатывание только одного из нескольких электродетонаторов  перфорационной системы, в строгой последовательности снизу вверх, от секции к секции - от 5 к 4, потом к 3,  далее к 2, и к 1 секции, помещенной оператором, к моменту подачи импульса в место расположения, одного из нескольких разрозненных интервалов,
Устройство для последовательного инициирования перфорационной системы изображено на чертежах, где на фиг.1 изображен продольный разрез устройства до срабатывания, на фиг.2 изображен продольный разрез устройства после срабатывания, на фиг.3 изображена функциональная схема электронного блока переключения контактов, на фиг. 4 изображена последовательность операций при работе сборкой из трех секций кумулятивного перфоратора с двумя устройствами для последовательного инициирования перфорационной системы.
На фиг. 1-2 изображены: корпус 1 устройства, поршень 2, уплотняющая часть 3 поршня, инициирующая часть 4 поршня, корпус 5 поршня, гайка 6, контактный стержень 7, уплотнительные кольца 8, 9, фиксирующая шайба 10, втулка-изолятор 11, изолирующая шайба 12, электронный блок 13 переключения контактов, электродетонатор 14, детонирующий шнур 15, передаточный заряд 16, фиксатор 17 детонатора, клемма 18, центральный провод 19 перфоратора, провод 20 электродетонатора, катушка 21 электродетонатора.
На фиг. 3 изображена схема работы электронного блока 13 переключения контактов, где показаны: поршень 2, инициирующая часть 4 поршня, электронный блок 13 переключения контактов, электродетонатор 14, центральный провод 19 перфоратора, провод 20 электродетонатора, катушка 21 электродетонатора, скользящий контакт 22, датчик 23, электронный ключ 24.
На фиг. 4 изображена последовательность операций А-Г при работе сборкой из трех секций кумулятивного перфоратора с первым и вторым устройствами последовательного срабатывания, на которых показаны обсадная труба 25, заколонный цементный камень 26, горная порода 27, геофизический кабель 28, кабельная головка 29, нижняя секция 30 кумулятивного перфоратора, промежуточная секция 31 кумулятивного перфоратора, верхняя секция 32 кумулятивного перфоратора, первое устройство 33 для последовательного срабатывания, второе устройство 34 для последовательного срабатывания, перфорация 35 первого интервала, перфорация  36 второго интервала, перфорация 37 третьего интервала, перфорированный интервал 38.
Устройство для последовательного инициирования перфорационной системы выполнено следующим образом.
Корпус 1 устройства, выполненный в виде цилиндрического тела с наружными резьбами на обоих концах, со ступенчатым внутренним сквозным отверстием, размещающим в себе электронный блок 13 переключения контрактов, поршень 2, состоящий из уплотнительной части 3 с двумя канавками, в которых расположены уплотнительные кольца 9, инициирующей части 4 меньшего диаметра длиной, обеспечивающей выступание из корпуса 5 поршня. С торцевой части уплотнительной части 3 поршня выполнено резьбовое отверстие для соединения с контактным стержнем 7. В исходном положении устройства уплотняющая часть 3 поршня полностью размещена во втулке-изоляторе 11, которая выполнена в виде трубки с выступом-поднутрением. На инициирующей части 4 поршня установлена изолирующая шайба 12. В начальном положении устройства втулка-изолятор 11 и изолирующая шайба 10 электрически изолируют поршень от корпуса 5 поршня, который выполнен в виде цилиндра, с двумя канавками под уплотнительные кольца 8 на наружной поверхности. На корпусе 5 поршня имеется сквозное центральное отверстие, причем отверстие выполнено ступенчато разными диаметрами: первый диаметр и длина соответствуют длине и диаметру втулки-изолятора 11, второй диаметр отверстия выполнен равным диаметру уплотняющей части 3 поршня и длиной, обеспечивающей возможность перемещения поршня 2 на необходимую величину, третий диаметр отверстия выполнен равным диаметру меньшей части изолирующей шайбы 12.
В начальном положении поршень 2 зафиксирован от перемещения фиксирующей шайбой 10, которая зажата между поршнем и контактным стержнем 7 и опирается на втулку-изолятор 11 и корпус 5 поршня. Электронный блок 13 переключения контактов, корпус 5 поршня, фиксирующая шайба 10 закреплены в корпусе 1 устройства гайкой 6.
В начальном положении поршень 2 также не обеспечивает герметичность поршневого блока, т.к. уплотнительные кольца поршня находятся во втулке-изоляторе 11.
С противоположной части корпуса 1 устройства установлен фиксатор 17 детонатора, представляющий собой цилиндрическую втулку с пояском, упирающимся в торцевую проточку корпуса 1 устройства. В фиксаторе 17 детонатора выполнены три сквозных отверстия, одно из них расположено по центру втулки, второе и третье равноудалены от центрального отверстия. В центральное сквозное отверстие фиксатора 17 детонатора устанавливается взрывная цепочка, состоящая из электродетонатора 14, детонирующего шнура 15, заряда передаточного 16. Во второе и третье отверстия втулки фиксатора 17 детонатора устанавливается клемма 18, представляющая собой контакт с загнутыми лапками, выполненный из листа цветного металла; клемма 18 обеспечивает электрическое сообщение устройства с промежуточной секцией 31 перфоратора.
Вся электрическая цепочка устройства, представленная в виде контактного стержня 7, поршня 2, скользящего контакта 22, центрального провода 19 перфоратора, клеммы 18 осуществляет сквозную передачу электрического контакта при соединении секций перфораторов между собой.
Электродетонатор 14 взаимодействует с электронным блоком 13 переключения контактов через провод 20, который формирует первичную обмотку электродетонатора, и подключается к электронному ключу 24, который обеспечивает размыкание провода 20 электродетонатора с центральным проводом 19 перфоратора и замыкание скользящего контакта 22 с центральным проводом 19 перфоратора в исходном состоянии устройства.
Сборку перфорационной системы с устройством для последовательного инициирования перфорационной системы осуществляют следующим образом.
В центральное отверстие корпуса 1 устройства устанавливают электронный модуль 13 переключения контактов до упора во внутреннюю ступеньку корпуса 1 устройства, при этом предварительно центральный провод 19 перфоратора выводят через центральное отверстие корпуса 1 устройства с противоположной стороны.
Поршневой блок в сборе, состоящий из корпуса 5, поршня 2, уплотнительных колец 8 и 9, втулки-изолятора 11, изолирующей шайбы 12, контактного стержня 7 и фиксирующей шайбы 10, устанавливают в посадочное место корпуса 1 устройства со стороны уже установленного электронного блока 13 переключения контактов, при этом инициирующая часть 4 поршня 2 электрически замыкается со скользящим контактом 22 электронного блока 12 переключения контактов, а уплотняющая часть 3 поршня полностью располагается во втулке-изоляторе 11.
Для фиксации электронного блока 13 переключения контактов и поршневого блока в торец корпуса 1 устройства вкручивается гайка 6. Далее, готовится фиксатор 17 и элементы взрывной цепи – заряд передаточный 16, отрезок детонирующего шнура 15, электродетонатор 14.
С помощью специального инструмента осуществляют обжим заряда передаточного 16 на отрезке детонирующего шнура 15 и, далее, обжим электродетонатора 14 на противоположной стороне отрезка детонирующего шнура 15.
Готовую взрывную цепочку, стороной с установленным зарядом передаточным 16, устанавливают в центральное отверстие фиксатора 17 детонатора. Далее клемму 18 соединяют с центральным проводом 19 перфоратора, устанавливают в свободные отверстия фиксатора 17 детонатора. Провод 20 электродетонатора используют для формирования первичной обмотки электродетонатора 14, делая 5-6 витков вокруг катушки 21 электродетонатора, соединяют электронным ключом 24 электронного блока 13 переключения контактов, который в начальном положении размыкает провод 20 электродетонатора с центральным проводом 19 перфоратора. После этого, фиксатор 17 детонатора в сборе вместе с взрывной цепочкой устанавливают в посадочное отверстие корпуса 1 устройства со стороны, противоположной установке поршневого блока и гайки 6.
Аналогичным образом, собирают необходимое количество устройств для последовательного инициирования перфорационной системы в зависимости от планируемого количества интервалов перфорации, выполняемых за один спуск. Каждое собранное устройство устанавливают в верхнюю часть снаряженных секций перфоратора, при этом электрическая цепочка устройств в виде контактного стержня 7, поршня 2, скользящего контакта 22, центрального провода 19 перфоратора, клеммы 18 обеспечивает транзитное электрическое сообщение между соседними секциями перфоратора.
Устройство для последовательного инициирования перфорационной системы работает следующим образом
После операций снаряжения сборку перфорационной системы спускают в скважину, закрепленную обсадной трубой 25 на геофизическом кабеле 28 или на гибкой насосно-компрессорной трубе с пропущенным геофизическим кабелем. После позиционирования на требуемом интервале перфорации оператором-взрывником с прибора высокочастотного прострелочного подают импульс, который, проходя через центральную жилу геофизического кабеля, центральный провод перфорационной системы, инициирует нижнюю секцию 30 кумулятивного перфоратора, кумулятивные заряды пробивают обсадную трубу 25, заколонный цементный камень 26 и горную породу 27.  В результате срабатывания нижней секции 30 перфоратора за счет давления продуктов взрыва происходит срезание фиксирующей шайбы 10, освобождение поршня 2 и осуществляется его перемещение. Поршень движется до упора в переход второго внутреннего диаметра корпуса 5 поршня в третий, при этом уплотнительные кольца 9 начинают выполнять свою функцию в соединении металл-металл, герметизируя промежуточную секцию 31 перфоратора от заполнившей нижнюю секцию 30 перфоратора скважинной жидкости. Инициирующая часть 4 поршня, перемещаясь, активирует датчик 23, расположенный в электронном блоке 13 переключения контактов. Изменение состояния датчика 23 в результате перемещения поршня 2 приводит к замыканию электронного ключа 24, соединяющего контакты электродетонатора 14 с центральным проводом 19 перфоратора, т.е. взводя электродетонатор 14 первого устройства 33 для последовательной перфорации в боевое положение, центральный провод 19 перфоратора со скользящим контактом 22 при этом размыкаются.
Время, затрачиваемое на срез фиксирующей шайбы 10, перемещение поршня 2, активацию и переключение электронного ключа, подключение электродетонатора 14 первого устройства 33 последовательного срабатывания к центральному проводу 19 перфоратора, составляет величину не менее 2 секунд, что достаточно для исключения вероятности его срабатывания одновременно с электродетонатором 14 нижней секции 30. Поршень 2 в результате перемещения действует как герметизирующая пробка в корпусе 5 и не дает скважинной жидкости проникнуть в промежуточную секцию 31 перфоратора.
После перфорации первого интервала 35 машинист каротажной станции осуществляет позиционирование сборки перфосистемы на втором интервале перфорации. При подаче второго импульса с взрывного прибора срабатывает электродетонатор 14 первого устройства 33 для последовательной перфорации, при этом аналогично ранее описанному алгоритму срабатывания нижней секции 30 давление продуктов взрыва промежуточной секции 31 перфоратора обеспечивает срезание фиксирующей шайбы 10, перемещение поршня 2, изменение состояния датчика 23, переключение электронного ключа 24 и подключение электродетонатора 14 второго устройства 34 для последовательной перфорации.
После проведения перфорации второго интервала 36 осуществляется позиционирование сборки кумулятивного перфоратора на третьем интервале, подача третьего импульса с взрывной машинки и далее процесс идет по алгоритму, аналогичному действиям при подаче второго сигнала.
Итогом вышеописанных работ является получение перфорированных разрозненных интервалов 38 за одну спускоподъемную операцию, причем временной промежуток между подачей первого и второго сигналов с взрывного прибора, второго и третьего сигналов, третьего и последующих сигналов не ограничены и регулируется взрывником.
Применение данного устройства не ограничено возможностью применения только совместно с секциями кумулятивного перфоратора, оно может быть применено для последовательного инициирования любого скважинного оборудования, в составе которого могут применяться электрические средства инициирования. Примером применения данного устройства может быть компоновка, состоящая из взрывного шлипсового пакера и нескольких секций кумулятивного перфоратора.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является срабатывание от подачи одного импульса с взрывного прибора, только одного из нескольких электродетонаторов перфорационной системы, в строгой последовательности, снизу вверх - 5, 4, 3, 2 ,1 секций, помещенной оператором, к моменту подачи импульса, в место расположения одного из нескольких разрозненных интервалов, что позволяет создать надежную систему последовательного инициирования перфоратора для проведения перфорации разрозненных интервалов за одну спускоподъемную операцию, исключающую вероятность одновременного срабатывания нескольких электродетонаторов и, соответственно, секций перфоратора за подачу одного импульса с взрывного прибора и обеспечивающую работоспособность с общепринятыми безопасными и широко распространёнными на рынке РФ средствами инициирования, срабатывающими от высокочастотного импульса переменного тока.