ТРУБНЫЙ БЕСКОРПУСНЫЙ ПЕРФОРАТОР ДЛЯ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ В СКВАЖИНЕ

Изобретение относится к прострелочно-взрывным работам в нефтяных и газовых скважинах.
Известны бескорпусные устройства для выполнения прострелочно-взрывных работ в скважине, выполненные в виде лент снаряженных герметизированными зарядами и бескорпусные устройства с соединением герметизированных зарядов между собой при помощи штифтов. Указанные устройства являются однократными в применении, и зачастую при проведении взрывных работ разрушаются в скважине засоряя ее.
Известен кумулятивный бескорпусной перфоратор /SU 1272785 А1, Е 21 В 43/117, опубл. 15.04.1991/. Устройство включает заряды в индивидуальных корпусах, средства взрывания и соединительный элемент сегментного сечения с выемками.
Известное устройство не обеспечивает угловой ориентации кумулятивных зарядов в поперечном сечении скважины, все заряды расположены в одном направлении, что снижает область применения устройства. Соединительный сегментный элемент, к которому прикреплены заряды, после срабатывания последующей эксплуатации не подлежит в связи с тем, что в нем образуются отверстия от кумулятивных струй зарядов.
Известно устройство для перфорации буровых скважин /SU 1195915 А, Е 21 В 43/116, опубл. 30.11.1985/. Устройство содержит заряды в герметичных оболочках с хвостовиками, корпус, образованный рядом последовательно установленных секций, плоские грани которых смещены под углом относительно его продольной оси и в каждой из плоских граней выполнено отверстие под хвостовик заряда, установленного перпендикулярно соответствующей плоской грани, средства детонации, управляемые электрически и соединенные зарядами для их поджига.
Известное устройство обеспечивает угловую ориентацию кумулятивных зарядов в поперечном сечении скважины ограничено, т.е. два заряда на плоской грани корпуса располагаются только в радиально противоположных направлениях, а соседняя пара зарядов расположена только перпендикулярно предыдущей. При этом нарушена общая плотность перфорации, т.е. заряды вдоль корпуса расположены с разным шагом (на разном расстоянии). Расстояние между двумя зарядами, расположенными на общей плоской грани, корпуса минимально, а последующий заряд, расположенный на последующей плоской грани корпуса, находится с большим шагом из-за конструктивного изгиба корпуса. К основным недостаткам устройства можно отнести сложность конструкции, недостаточную жесткость крепления зарядов и невозможность повторного применения как показывает практика из-за значительной деформации корпуса после срабатывания.
6
Наиболее близким по существенным признакам к заявляемому техническому решению является кумулятивный перфоратор /SU 1607476 А1, МПК Е 21 В 43/117, опубл. 1996.11.20/, содержащий корпус в виде трубы, в котором посредством деталей крепления установлены заряды в индивидуальных герметичных оболочках, выполненных из хрупкого материала (стекла, керамики, ситалла).
Известное устройство включает ряд деталей, усложняющих конструкцию и сборку перфоратора. К таким деталям можно отнести детали крепления заряда в корпусе, и сами герметичные оболочки зарядов, выполненные из хрупкого материала. При срабатывании перфоратора выше перечисленные детали разрушаются и засоряют скважину. Применение индивидуальных герметичных оболочек значительно увеличивает габаритный размер заряда, что приводит к увеличению размера перфоратора. Долговечность (количество срабатываний) перфоратора не определена, что может привести к обрыву корпуса при отстреле (к аварии).
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка конструкции бескорпусного перфоратора, обеспечивающей высокую плотность расположения зарядов, требуемую угловую ориентацию кумулятивных зарядов в поперечном сечении скважины, неподверженной разрушению в скважине при срабатывании, с возможностью многократного использования.
При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении надежности и прочности перфоратора при сохранении высокой плотности расположения зарядов.
Указанный технический результат достигается тем, что трубный бескорпусной кумулятивный перфоратор содержит несущий каркас с посадочными местами под заряды, в котором установлены герметичные кумулятивные заряды, имеющие металлическую оболочку, и средства инициирования зарядов. Несущий каркас выполнен из металлической трубы, в которой выполнены посадочные отверстия для установки и крепления герметичных зарядов с требуемой плотностью и угловой ориентацией в зависимости от технико-геологических условий, а размер посадочного места равен размеру оболочки заряда. Труба для изготовления несущего каркаса подбирается с такими размерными и техническими характеристиками, чтобы исключить разрыв и деформацию каркаса после срабатывания перфоратора. Многократность использования - ресурс несущего каркаса определяется параметрами трубы: отношением количества и характеристик взрывчатого материала к совокупности прочностных и размерных характеристик трубы, из которой изготовлен несущий каркас перфоратора.
Из практики эксплуатации и изготовления бескорпусных перфораторов с применением герметичных зарядов известно, что в перфораторах использующих несущий соединительный элемент (каркас) в виде ленты, практически невозможно обеспечить максимальную плотность расположения зарядов, угловую ориентацию расположения зарядов, ограниченной
необходимостью изгиба ленты, и предотвратить в худшем варианте разрушение или в лучшем варианте деформацию несущего элемента. Выполнение несущего элемента - каркаса в виде металлической трубы позволят изготовить посадочные места (отверстия) под герметичные заряды с максимальной плотностью расположения зарядов в продольном направлении устройства и под любым углом в его радиальном направлении. Труба является более надежным элементом в предотвращении деформации при срабатывании по сравнению с лентой. Для увеличения ресурса перфоратора достаточно изменить толщину стенки трубы или увеличить ее прочностные характеристики.
В отличие от прототипа заявляемый трубный бескорпусный кумулятивный перфоратор не содержит дополнительных деталей крепления для установки зарядов, и не использует индивидуальные герметичные оболочки из хрупкого материала для герметизации зарядов, а также не определен ресурс использования.
Заявляемый несущий каркас выполняет одновременно две функции:
несущий каркас в виде металлической трубы является и корпусом, т.е. способен выдержать фугасное воздействие кумулятивных зарядов (не разрушается после отстрела), и деталью крепления, где размер посадочного места (отверстия) соответствует размеру корпуса заряда для обеспечения их надежной установки в каркасе. В заявляемом перфораторе предлагается применение герметичных зарядов, оболочки которых выполнены из металла.
Ресурс перфоратора (количество срабатываний) можно определить с применением следующего расчета.
Количество срабатываний перфоратора (многократность) определяется отношением количества и характеристик взрывчатого материала (далее ВМ) к совокупности прочностных и размерных характеристик трубы, из которой изготовлен несущий каркас перфоратора.
Определяется по формуле (1):
1
где K - коэффициент использования взрывчатого материала;
2
К - коэффициент совокупной прочности трубы.
1
Коэффициент K определяется отношением (2):
вм
где М - масса взрывчатого материала, в граммах;
3
V - внутренний объем трубы, в м;
К
3
V - объем трубы, в м
2
Коэффициент совокупной прочности трубы К определяется суммой коэффициентов соответствующих прочностных характеристик (3):
в
где Кσ - коэффициент предела прочности материала;
т
Кσ - коэффициент предела текучести материала;
Кδ - коэффициент относительного удлинения;
Кксu - коэффициент ударной вязкости;
Ks - коэффициент толщины стенки трубы;
Кз - коэффициент размера зерна материала.
Одно из преимуществ заявляемого трубного бескорпусного кумулятивного перфоратора перед корпусными перфораторами - это низкий вес, что позволяет собирать между собой большое количество секций перфоратора и перфорировать большие интервалы скважины. Преимущества перед бескорпусными перфораторами: не разрушается в скважине, обеспечивается возможность максимальной плотности перфорации и многократности использования.
На фиг.1 изображен трубный бескорпусный кумулятивный перфоратор, общий вид, на фиг.2 представлены диаграммы для определения коэффициентов в зависимости от номинальных значений прочностных характеристик материала корпуса перфоратора.
Перфоратор содержит несущий каркас 1, выполненный в форме металлической трубы, имеющий кабельную головку 2 и наконечник. В каркасе 1 выполнены посадочные места, например, в виде обычных или
резьбовых отверстий, предназначенных для установки и фиксации герметичных кумулятивных зарядов 3, имеющих металлическую оболочку. Размер посадочного места соответствует размеру оболочки заряда 3. Кумулятивные заряды 3 последовательно соединены с узлом инициирования 4, например, взрывным патроном или детонатором, установленным в кабельной головке 2, детонирующим шнуром 5. Шаг размещения зарядов 3 и угол их ориентации определяется исходя из конкретных технико-геологических условий. При этом имеется возможность разместить заряды 3 с максимальной плотностью в продольном и радиальном направлении каркаса 1.
Несущий трубный каркас 1, выполненный в виде металлической трубы, в верхней и нижней части может быть оснащен присоединительными элементами, позволяющими собирать между собой несколько секций. Несущий каркас 1 также выполнен с возможностью многократного использования.
Зная плотность перфорации, соответствующее количество взрывчатого материала и предполагаемое количество срабатываний, подбирают материал несущего каркаса 1, из расчета с учетом формул 1 и 2. Например, в качестве материала для изготовления несущего каркаса можно использовать горячекатаную сталь.
Собранный на поверхности скважины перфоратор опускается на каротажном кабеле или НКТ на заданную глубины перфорации ствола скважины. При замыкании цепи срабатывают средства инициирования и кумулятивные заряды 3. Кумулятивные струи зарядов 3 прожигают обсадную колонну скважины и часть горной породы (продуктивного пласта). После отстрела перфоратор поднимают на поверхность.