УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

СВЯЗАННАЯ ЗАЯВКА

Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной U.S. Provisional Patent Application № 61/637,541, поданной 24 апреля 2012 г., полностью включенной в данном документе посредством ссылки.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к устройству передачи энергии, выполненному с возможностью передачи энергии, высвобожденной на выходе первого пиротехнического устройства, на второе пиротехническое устройство для инициирования взрыва второго пиротехнического устройства. Устройство передачи энергии абсорбирует энергию, выброшенную выходным зарядом первого пиротехнического устройства, например взрывателем замедленного действия, и направляет по меньшей мере часть энергии ко второму пиротехническому устройству в управляемом режиме для эффективного и надежного проведения взрыва второго пиротехнического устройства.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Пиротехнические устройства широко используются для воспламенения или детонации зарядов взрывчатого вещества (ВВ) в различных вариантах промышленного применения, например запирания нефтяных скважин. Взрыватели замедленного действия являются примером пиротехнических устройств, которые можно использовать для инициирования детонации ВВ, используемых во взрывных работах. Имеющиеся взрыватели замедленного действия в общем создают заданные интервалы задержки времени. Вместе с тем в некоторых вариантах применения требуются задержки времени, более длительные, чем может создавать один взрыватель замедленного действия. В таких случаях взрывотехники могут соединять последовательно множество взрывателей замедленного действия, рассчитывая, что выходное действие заряда одного взрывателя замедленного действия воспламенит запал или инициирующий заряд следующего взрывателя замедленного действия.

Взрыватели замедленного действия в общем не спроектированы и не выполняются для использования таким способом. Следовательно, в некоторых обстоятельствах, выходной заряд взрывателя замедленного действия может не сработать для воспламенения смежного взрывателя замедленного действия, что может привести к отказу детонации инициирующего ВВ, применяемого во взрывных работах. В контексте операций в скважинах отказ детонации инициирующего ВВ может потребовать извлечения инструмента, включающего в себя инициирующее ВВ из скважины, и установки новой цепи взрывателей замедленного действия. Подъем из скважины трубной колонны является дорогой и длительной операцией. Присутствие взрывных устройств дополнительно усложняет данную операцию вследствие ее опасного характера.

Поэтому существует потребность в создании надежно действующей передачи выходной энергии от одного взрывателя замедленного действия к другому, гарантирующей воспламенение следующего взрывателя замедленного действия в цепи.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает решение данной проблемы созданием устройства передачи энергии, выполненного с возможностью передачи выделяющейся энергии от первого пиротехнического устройства на второе пиротехническое устройство для инициирования взрыва второго пиротехнического устройства. В одном варианте осуществления устройство передачи энергии содержит металлический корпус, имеющий переднюю секцию, выполненную с возможностью установки смежно с первым пиротехническим устройством, и заднюю секцию, выполненную с возможностью установки смежно со вторым пиротехническим устройством. Металлический корпус дополнительно включает в себя аксиальный сквозной канал, проходящий через него. Сквозной канал включает в себя первый участок, проходящий через переднюю секцию корпуса, и второй участок, проходящий через заднюю секцию корпуса. Передняя секция корпуса является деформируемой выделяющейся энергией первого пиротехнического устройства так, что диаметр первого участка сквозного канала уменьшается, образуя сужение в сквозном канале.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения создано устройство передачи энергии, выполненное с возможностью передачи выделяющейся энергии от первого пиротехнического устройства на второе пиротехническое устройство для инициирования взрыва второго пиротехнического устройства. Устройство передачи энергии содержит кожух устройства, включающий в себя центральное отверстие, проходящее через него, и вставку, которая удерживается кожухом в в отверстии. Кожух включает в себя переднюю секцию и заднюю секцию. Вставка содержит переднюю секцию и заднюю секцию, а также аксиальный сквозной канал, проходящий через них. Передняя секция кожуха и передняя секция вставки выполнены для установки смежно с первым пиротехническим устройством, а задняя секция кожуха и задняя секция вставки выполнены для установки смежно со вторым пиротехническим устройством. Передняя секция вставки деформируется выделяющейся энергией первого пиротехнического устройства так, что создается сужение в сквозном канале.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, создан инструмент для подачи пиротехнического заряда в ствол скважины. Инструмент содержит взрыватель замедленного действия и устройство передачи энергии. Устройство передачи энергии содержит кожух, включающий в себя центральный канал, проходящий через него, и вставку, включающую в себя аксиальный сквозной канал, проходящий через нее. Кожух устройства включает в себя переднюю секцию и заднюю секцию. Аналогично, вставка устройства включает в себя переднюю секцию и заднюю секцию. Вставка выполнена с возможностью установки в канале кожуха. Передняя секция вставки деформируется выделяющейся энергией первого пиротехнического устройства так, что образуется сужение в сквозном канале.

В еще одном варианте осуществления согласно настоящему изобретению создан способ воспламенения пиротехнического заряда в стволе скважины. Проводится оснащение первым пиротехническим устройством, устройством передачи энергии и вторым пиротехническим устройством. Устройство передачи энергии содержит металлический корпус, имеющий переднюю секцию, заднюю секцию и аксиальный сквозной канал, проходящий через них. Первое пиротехническое устройство воспламеняется для детонации выходного заряда. По меньшей мере часть энергии выходного заряда направляется через аксиальный сквозной канала ко второму пиротехническому устройству для воспламенения второго пиротехнического устройства.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 показано в перспективе устройство передачи энергии согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

На Фиг. 2 показано в перспективе разобранное устройство передачи энергии Фиг. 1, проиллюстрированы две его части.

На Фиг. 3 схематично показано устройство передачи энергии, применяемое во внутрискважинном инструменте в соединении с взрывателями замедленного действия.

На Фиг. 4 показано сечение вставки устройства передачи энергии в конфигурации до взрыва.

На Фиг. 5 показано сечение вставки устройства передачи энергии после взрыва с деформацией вставки и образованием сужения сквозного канала.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На Фиг. 1 и 2 показано устройство 10 передачи энергии согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Устройство 10 является динамическим устройством, выполненным с возможностью ограничения и преобразования детонирующей выделяющейся энергии взрывателя замедленного действия или аналогичного устройства, при котором выделяющаяся энергия становится подходящей для воспламенения другого взрывателя замедленного действия или аналогичного устройства без повреждения ввода и в результате не срабатывания воспламенения. Устройство 10 является конструкцией из двух деталей, содержащей кожух 12 и вставку 14. Кожух 12 представляет собой металлический корпус 13, который включает в себя в общем цилиндрическую переднюю секцию 16, выполненную с возможностью размещения смежно и обращенной к пиротехническому устройству, подающему энергию для передачи на другое пиротехническое устройство и в общем цилиндрическую заднюю секцию 18, выполненную с возможностью размещения смежно и обращенной к пиротехническому устройству, принимающему переданную энергию. В некоторых вариантах осуществления передняя секция 16 может иметь наружный диаметр больше наружного диаметра задней секции 18. Наружная поверхность передней секции 16 содержит резьбу 20, обеспечивающую крепление кожуха 12 в инструменте, который можно использовать во взрывных работах в скважине. Корпус 13 содержит аксиальное отверстие 22, проходящее через него, выполненное с размерами, обеспечивающими прием вставки 14 устройства. Отверстие 22 включает в себя передний участок 24 и задний участок 26, причем передний участок 24 в общем имеет диаметр больше диаметра заднего участка 26, хотя данное не является обязательным.

Вставка 14 устройства содержит металлический элемент 28, включающий в себя переднюю секцию 30 и заднюю секцию 32. Передняя секция 30 выполнена с возможностью размещения в переднем участке 24 отверстия 22 и задняя секция 32 выполнена с возможностью размещения в заднем участке 24 отверстия 22. Как лучше всего показано на Фиг. 4, вставка 14 дополнительно содержит центральный аксиальный сквозной канал 34, проходящий через нее, содержащий соответствующие передний и задний участки 35, 37. В некоторых вариантах осуществления передний участок 35 может иметь длину меньше длины участка 37. Кроме того, диаметр участка 35 меньше диаметра участка 37.

Как рассмотрено более подробно ниже, сквозной канал 34 работает, как труба, направляющая энергию на выходе из одного пиротехнического устройства, расположенного смежно с передними секциями 16 и 30, ко второму пиротехническому устройству, расположенному смежно с задними секциями 18 и 32. Передняя секция 30 вставки 14 устройства содержит проходящий по окружности периметра канал 36, выполненный с возможностью размещения кольцевой прокладки 38 круглого сечения. Кольцевая прокладка 38 круглого сечения обеспечивает уплотнение между вставкой 14 и кожухом 12 и также способствует удержанию вставки 14 в отверстии 22 после сборки устройства 10.

Передняя секция 30 вставки 14 в общем имеет диаметр больше диаметра задней секции 32, при этом соответствующий общей конфигурации отверстия 22. Место соединения передней секции 30 с задней секцией 32 содержит уступ 40, который упирается в аналогично выполненный уступ 42, образованный на месте соединения передней секции 16 с задней секцией 18 кожуха 12. Контактное взаимодействие двух уступов 40, 42 обеспечивает надлежащую стыковку вставки 14 и кожуха 12.

В некоторых вариантах осуществления кожух 12 и вставка 14 могут изготавливаться из разнообразных металлов, в том числе нержавеющей стали, хотя различные сплавы нержавеющей стали можно выбирать индивидуально для каждой детали. В одном частном варианте осуществления кожух 12 может выполняться из нержавеющей стали 17-4(AMS 5643), а вставка 14 может выполняться из нержавеющей стали 304 или 304L. В предпочтительных вариантах осуществления вставка 14 содержит металл, имеющий твердость и прочность на растяжение ниже, чем у металла, из которого выполнен кожух 12. Как объяснено более подробно ниже, изготовление кожуха 12 и вставки 14 из отличающихся материалов обеспечивает вставке 14 возможность претерпевать деформации при взрыве первого пиротехнического устройства, когда кожух 12 противодействует деформации, при этом обеспечивается его повторное применение. Следует также отметить, что само устройство 10 не содержит пиротехнического материала.

Хотя в вариантах осуществления устройства 10, показанных и описанных в данном документе, конструкция состоит из двух деталей, в объеме настоящего изобретения устройство 10 может иметь конструкцию из одной детали, содержащую унитарный корпус и центральный аксиальный сквозной канал. Такое устройство из одной детали должно сохранять наружную конфигурацию кожуха 12 и внутреннюю конфигурацию вставки 14, то есть сквозной канал 34, описанный выше.

Как показано на Фиг. 3, устройство 10 передачи энергии может устанавливаться в инструменте 44, таком как стреляющая головка, для использования во взрывных работах в скважине. Соответственно инструмент 44 можно выполнять прикрепляющимся к скважинной трубной колонне или другому скважинному инструменту. Инструмент 44 в общем содержит стреляющую секцию 46, которая включает в себя стреляющую головку 48, оборудованную ударником 50. Стреляющая секция 46 дополнительно содержит первый взрыватель 52 замедленного действия, расположенный в канале 54, выполненном в стреляющей секции. Взрыватель 52 замедленного действия в общем содержит капсюль-воспламенитель 56, одно или несколько замедлителей 58 и выходной заряд 60. В некоторых вариантах осуществления выходной заряд 60 может содержать бризантное ВВ 2,2', 4,4', 6,6' - гексанитростильбен (НNS-II). Другие компоненты, которые могут присутствовать в огнепроводном шнуре 52, включают в себя одну или несколько секций воспламеняющего состава 62, воспламеняющий заряд 64 и передающий заряд 66. Стреляющая секция 46 также включает в себя концевой участок 68 с внутренней резьбой, выполненной для прикрепления к зоне 70 с внутренней резьбой передающей секции 72 инструмента.

Устройство 10 передачи энергии размещается в зоне 70. Резьба 20 устройства 10 выполнена с возможностью свинчивания с соответствующей резьбой 74 зоны 70 для закрепления устройства 10 в ней. Кожух 12 устройства может дополнительно включать в себя пару пазов 76 в торце передней секции 16, которые выполнены с возможностью приема инструмента, применяемого для установки устройства 10 в секции 70. Второй взрыватель замедленного действия 78 размещается в канале 80, выполненном в передающей секции 72, и установлен смежно с задней секцией 18 кожуха 12 устройства. Взрыватель 78 может иметь конструкцию, идентичную взрывателю 52, или может выполняться отличающимся от него, например, имеющим больше или меньше замедлителей 58. На конце, противоположном устройству 10 передачи энергии, передающая секция 72 содержит концевую зону 82 с внутренней резьбой с конфигурацией, аналогичной концевой зоне 68. Концевая зона 82 выполнена с возможностью прикрепления к дополнительной передающей секции 72, если требуется дополнительная общая задержка времени. Альтернативно, пиротехнический заряд другого типа может соединяться с концевой зоной 82, например с рабочим ВВ для взрывных работ.

Во время работы инструмента 44 стреляющая головка 48 приводится в действие любым средством, известным специалисту в данной области техники, приводящим ударник 50 в движение к взрывателю 52 замедленного действия. Ударник 50 бьет по капсюлю-воспламенителю 56, воспламеняющему взрыватель 52 замедленного действия. Сгорание пиротехнического материала в составе взрывателя 52 продолжается через выходной заряд 60. Детонация выходного заряда 60 высвобождает тепло, газ и/или твердые частицы, которые направляются к устройству передачи энергии и конкретно соответствующим торцам передних секций 16 и 30. Горячие газы, создаваемые выходным зарядом 60, направляются через передний участок 35 сквозного канала и выходное устройство 10 через задний участок 37 сквозного канала. Как указано выше, вставку 14 устройства можно сконструировать из материала, который подвергается деформации теплом и газами, высвобождаемыми выходным зарядом 60, а кожух 12 можно сконструировать из материала, который является более стойким к деформации выделяющейся энергии взрывателя 52. Соответственно, после детонации выходного заряда 60 энергия, горячий газ и/или твердые частицы, направленные к вставке 14, вызывают деформацию передней секции 30 вставки. Данная деформация показана на Фиг. 5.

В частности, торец 84 передней секции 30, который является вначале плоским, деформируется, при этом уменьшается диаметр переднего участка 35 сквозного канала и создается сужение 86 в нем. В одном примере варианта осуществления передний участок 35 сквозного канала имеет начальный диаметр 0,094 дюймов (2,4 мм). При обычной окружающей температуре энергия взрыва взрывателя замедленного действия деформирует материал вставки, уменьшая диаметр переднего участка сквозного канала до величины между около 0,040-0,050 дюймов (1,0-1,3 мм). Выделяющаяся энергия взрывателя замедленного действия при повышенной температуре производит на 25% более глубокую выбоину в стальном испытательном блоке и также уменьшает диаметр окна вставки до 0,030-0,039 дюймов (0,7-1,0 мм). Рабочая площадь сквозного канала действием выделяющейся энергии взрывателя замедленного действия уменьшается в 3,5-9,8 раз в зависимости от мощности взрыва. С применением воздействия донорного детонирующего устройства (например, взрывателя 52) деформация/ выбоина вставки 14 абсорбирует часть энергии взрыва. Геометрия и характеристики материала вставки 14 обуславливают частичное закрытие переднего участка 35 сквозного канала при использовании в непосредственной близости к выходу энергии взрыва, которая может создавать выбоину в стали. Обнаружено, что мощные взрывы обуславливают увеличенную деформацию, при которой закрывается передний участок 35 сквозного канала до меньшего диаметра, дополнительно ограничивая воздействие взрыва, при этом все равно обеспечивается достаточный проход через него воспламеняющих газов и частиц. Таким образом, данное действие является саморегулируемым по поддержанию уровня выделяющейся энергии донорного детонирующего устройства.

Сужение 86 в переднем участке 35 сквозного канала обеспечивает высвобождение давления из выходного заряда 60 (например, комбинации детонационного давления и тепла от НNS-II, выходной энергии азида и выходной энергии инициирующего устройства, горячих металлических осколков, расплавленного металла и шлака) в течение более долгого времени. Деформация от НNS-II создает коническую лунку, которая часто закрывается шлаком после деформации торца 84. Детонация HNS-II обычно оставляет только черный нагар, таким образом, в некоторых вариантах осуществления наблюдаемый шлак на вставке 14 и в ней указывает на газы и твердые частицы, проходившие через сквозной канал 34 после начального воздействия взрыва.

Конструкция из двух частей устройства 10 обеспечивает повторное применение кожуха 12 после простой замены вставки 14. Задний участок 37 сквозного канала может иметь начальный диаметр больше диаметра переднего участка 35 сквозного канала. Участок 37 с большим диаметром функционирует, как восстанавливаемый канал, исключающий влияние износа инструмента на показатели работы и обеспечивающий регулирование диаметра и соосности. Отмечается, что площадь, самая близкая к вводу следующего замедлителя, обычно также расширяется и должна являться местом износа, если является частью инструмента повторного применения.

Энергия, газ и/или твердые частицы, генерируемые горением выходного заряда 60, затем выносятся через сквозной канал 34 к взрывателю 78. После противодействия заднего торца 88 вставки 14 горячий газ и/или твердые частицы фокусируются напрямую на капсюле-воспламенителе 56 взрывателя 78 и обеспечивают его воспламенение. Таким образом, устройство 10 эффективно и надежно передает энергию на выходе взрывателя 52 на взрыватель 78 и обеспечивает продолжение последовательности взрывания, которая начинается стреляющей головкой 48. Выходной заряд 60 взрывателя 78 можно передавать на другой взрыватель, прикрепляя другую передающую секцию 72 к концу зоны 82, или к пиротехническому устройству другого типа, например другой стреляющей головке или заряду ВВ, которые можно использовать во взрывных работах.