Центратор для прострелочно-взрывного аппарата

Центратор для прострелочно-взрывного аппарата относится к области геофизических исследований в скважинах, используется для центрирования кумулятивных перфораторов и комплексных аппаратов с наружными твердотопливными зарядами (ТТЗ), спускаемых на геофизических кабелях в нефтегазовые скважины.
Известны устройства для центрирования скважинных приборов рычажного и рессорного типов (Зельцман П.А. Конструирование аппаратуры для геофизических исследований скважин.М.: Недра, 1968).
Такие устройства сложны конструктивно и подвержены выходу из строя от разрушения при взрыве.
Известна конструкция центратора по патенту RU №2162514 «Способ перфорации и обработки призабойной зоны скважины и устройство для его осуществления» от 30.03.2000, опубликовано 27.01.2001, МПК E21B 43/117,  E21B 43/18,  E21B 43/25, E21B 43/26 (2000.01), в котором устройство снабжено центраторами, исключающими перемещение перфорационной камеры относительно обсадной колонны, при взрывной нагрузке.
Данная конструкция обладает повышенной трудоемкостью сборки.
Известна конструкция центратора перфоратора в виде выступающих за образующую корпуса стопорно-ограничительных винтов на расстояние, превышающее максимальный размер заусенцев, образующихся при взрыве кумулятивных зарядов, по патенту  RU №84059 U1 «Корпусный малогабаритный кумулятивный перфоратор одноразового применения» от 02.03.2009,  опубликовано27.06.2009, МПК E21B 43/116 (2006.01), в котором сочленение секций корпуса между собой через переходник выполнено без резьбы на корпусе, посредством стопорно-ограничительных винтов.
Данная конструкция, позволяет только центрировать перфоратор в скважине, но не способствует снижению трения перфоратора о стенки скважины.
Наиболее близким техническим решением является «Центратор для перфоратора кумулятивного» по патенту RU № 96174, от 24.03.2010, опубликовано: 20.07.2010, МПК E21B 43/117 (2006.01)  отличающийся тем, что он выполнен в виде втулки с продольными лепестками, на наружной поверхности, а в отверстии втулки выполнен упорный буртик.
У данного устройства существует потенциальная возможность создания аварийной ситуации, поскольку после срабатывания перфоратора (перфоратора-генератора) со стенок скважины отделяются парафины, асфальтены, другие агенты, из вышележащих интервалов могут выносится частицы коллектора, что может привести к заклиниванию аппарата и обрыву кабеля при подъеме. Центратор на корпусе после закручивания переходника фиксируется, становится неподвижным, что также способствует заклиниванию.
Задачей предлагаемого технического решения является беспрепятственное прохождение сборки перфорационной системы в скважине, а также возможность отстыковки аппарата от центраторов на случай прихвата.
Задача решена за счет центратора для прострелочно-взрывного аппарата, выполненного в виде втулки, в отверстии которой выполнен буртик, при этом, втулка размещена на аппарате с возможностью вращения вокруг оси аппарата; на наружной поверхности втулки размещены выступы в виде полозьев; центратор выполнен из легко разбуриваемого материала, например, из алюминиевого сплава, удовлетворяющего соотношению
p
nτS≤  P, (1)
где τ – допускаемое напряжение на срез материала центратора;
S – сумма площадей сечения частей буртика центратора;
р
Р – прочность на разрыв заделки геофизического кабеля;
n-коэффициент запаса.
Размещение на аппарате с возможностью вращения вокруг оси аппарата втулки центратора, выполненного из легко разбуриваемого материала, например, из алюминиевого сплава, с выступами в виде полозьев и с буртиком с подобранным сечением,   обеспечивающим допустимое напряжением на срез, меньше прочности геофизического кабеля на разрыв, что позволяет отстыковать аппарат от центраторов на случай прихвата, и предотвращает  обрыв геофизического кабеля с оставлением аппарата в скважине, при этом обеспечивает более точное осевое  продвижение аппарата  по скважине при спуске/подъеме,  более равномерное распределение истирающей нагрузки на узкие выступы полозьев по всей поверхности вращающегося центратора, что улучшает его защитные свойства, как средства предохранения от истирания наружных твердотопливных зарядов в комплексных аппаратах и положительно сказывается на характеристиках пробития кумулятивных зарядов.
Центратор для прострелочно-взрывного аппарата показан на чертежах, где:
- на фиг. 1 изображена аксонометрическая проекция центратора,
- на фиг. 2 изображена аксонометрическая проекция установленного на аппарате центратора,
- на фиг. 3 изображен разрез места фиксации установленного на аппарате центратора,
- на фиг. 4 изображена схема отстыковки центратора от аппарата,
На фиг. 1,2,3,4, изображены втулка 1, выступы 2 в виде полоьев, буртик 3, переходник 4 аппарата, корпус 5 аппарата, зазоры 6.
Центратор для прострелочно-взрывного аппарата выполнен следующим образом.
Центратор выполнен в виде втулки 1 цилиндрической формы с внутренним отверстием, в отверстии которой выполнен состоящий из нескольких равномерно распределенных по окружности частей буртик 3.
Втулка 1 размещена между корпусом 5 и переходником 4 аппарата, с возможностью вращения вокруг оси аппарата за счет зазоров 6.
При скручивании соединяемых элементов аппарата - корпуса 5 и переходника 4 образуется паз, в котором размещается буртик 3 центратора с зазорами 6, обеспечивающими возможность вращения центратора вокруг оси аппарата, что важно для улучшения прохода и извлечения аппарата, а также для обеспечения равномерного износа трущихся контактных поверхностей выступов 2 в виде полозьев, обеспечивающих точное осевое продвижение аппарата в скважине при спуске/подъеме.
В аналогах, при жесткой фиксации центратора, в глубоких скважинах процесс интенсивного истирания выступов в процессе спускания не обеспечивает требуемого центрирования аппарата, что влечет за собой снижение величины пробития кумулятивных зарядов, а также приводит к механическому воздействию на твердотопливные заряды у аппаратов комплексного воздействия.
В предлагаемом техническом решении, для минимизации отклонения от оси опускаемого прострелочно-взрывного аппарата при спуске/подъеме и позиционировании на интервале перфорации на наружной поверхности втулки 1 равномерно распределены несколько выступов 2 в виде полозьев, с целью оптимизации площади соприкосновения истираемых полозьев со стенками обсадной трубы.
Для предотвращения заклинивания аппарата и обрыва бронированного геофизического кабеля, при подъеме аппарата из скважины, втулка с буртиком 3 выполнена из легко разбуриваемого материала, например, из алюминиевого сплава, с усилием среза выступающих частей, меньше разрывного усилия заделки используемого кабеля, удовлетворяющего соотношению:
p
nτS≤  P, (1)
где τ – допускаемое напряжение на срез материала центратора;
S – площадь сечения буртика (сумма площадей сечения частей упора) центратора;
р
Р – прочность на разрыв заделки геофизического кабеля;
n- коэффициент запаса.
Выполнение соотношения по формуле (1) в случае прихвата, обеспечит возможность среза буртика 3 при натяжении геофизического кабеля на величину, меньшую величины разрыва заделки геофизического кабеля в кабельном наконечнике, позволит извлечь аппарат, что важно для оценки полноты срабатывания зарядов, и исключает оставление в скважине посторонних предметов, и может обеспечить сохранность входящих в состав сборки дорогостоящих приборов (автономный манометр и т.п.).
Центратор для прострелочно-взрывного аппарата работает следующим образом.
На корпус 5 снаряженного перфоратора или аппарата комплексного воздействия устанавливается центратор, с противоположной стороны которого вкручивается переходник 4. При спуске аппарата в скважину на интервал обработки, за счет образующегося между переходником 4, корпусом 5 и буртиком 3 центратора зазора 6, обеспечивается свободное вращение центратора на корпусе 5 аппарата, что более равномерно распределяет истирающую нагрузку на выступы 2 в виде полозьев, и способствует облегченному преодолению трудно проходимых участков скважины.
Сниженный износ полозьев выступов 2 обеспечивает более точное центрирование перфоратора или аппарата в интервале, что положительно сказывается на характеристиках пробития кумулятивных зарядов, а также позволяет сохранить целостность наружных твердотопливных зарядов, в случае их применения.
После проведения прострелочно-взрывных работ в требуемом интервале перфорации, особенно в старом фонде скважин, возможно осыпание окалины и различного рода отложений со стенок скважины, что может привести к скоплению данных отложений на верхней части аппарата и последующему прихвату. Зазоры 6, образованные буртиком 3, переходником 4 и корпусом 5 аппарата позволяют центратору свободно вращаться в своем посадочном месте, что положительно сказывается на освобождении и извлечении аппарата.
В исключительных случаях, когда объем скопившихся отложений и другого шлама на верхней части аппарата приводит к прихвату, который невозможно ликвидировать стандартной операцией расхаживания – натяжения/освобождения геофизического кабеля, геофизическим подъемником создается такое натяжение геофизического кабеля, которое приведет к срезу буртика 3 прихваченного центратора, освобождению аппарата и его свободному извлечению на поверхность.
Остатки центратора – втулки 1 с выступами 2 в скважине могут быть легко ликвидированы разбуриванием, на скорость которого положительно влияет выполнение материала из алюминиевого сплава.
Производством ООО «Промперфоратор» изготовлена и испытана в скважинных условиях партия с центраторами в виде втулок из материала с допускаемым напряжением на срез 40 МПа.
-3
-3
-6
2
Так, для аппарата диаметром 73 мм площадь сечения буртика составила S = р*74*10*4*10 = 600*10 м и усилие среза 600*40=24 кН, что составляет 2/3 от разрывного усилия (37кН) заделки бронированного геофизического кабеля, т.е. коэффициент запаса равен 1,5.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является, выполнение центратора вращающимся, с выступами в виде полозьев, из материала с усилением среза, составляющего 2/3 от разрывного усилия  заделки бронированного геофизического кабеля, что обеспечивает отстыковку аппарата от центраторов на случай прихвата, и предотвращает  обрыв геофизического кабеля с оставлением аппарата в скважине, а также, более точное осевое  продвижение аппарата  по скважине при спуске/подъеме и на интервале перфорации,  более равномерное распределение истирающей нагрузки на узкие выступы полозьев по всей поверхности вращающегося центратора, что улучшает его защитные свойства, как средства предохранения от истирания наружных твердотопливных зарядов в комплексных аппаратах, и положительно сказывается на характеристиках пробития кумулятивных зарядов.