Результат интеллектуальной деятельности: КУМУЛЯТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СКВАЖИНЫ

Изобретение относится к области горной промышленности и конкретно к устройствам для воздействия на стенки скважины в открытом стволе для увеличения поверхности фильтрации и интенсификации притока флюида в добывающих скважинах, увеличения приемистости в нагнетательных скважинах, вскрытия продуктивных пластов в обсаженных скважинах, а также перерезания труб в скважинах. При этом скважина, в которой может быть применено устройство в соответствии с настоящим изобретением, может быть различного назначения, например нефтяная, или газовая, или водяная.

Известно кумулятивное устройство для скважины, включающее прочный герметичный корпус с дном и кольцевой кумулятивный заряд со средством взрывания (см., например, пат. США №3192857, 06.07.1965).

Известное устройство имеет следующие недостатки:

- невысокая надежность работы устройства, проявляющаяся в часто встречающихся случаях неполного кругового действия кумулятивной струи;

- необходимость большой массы заряда взрывчатого вещества для обеспечения кругового действия кумулятивной струи, ведущей к нежелательному усилению фугасного воздействие заряда;

- ограничения по глубине применения.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы устройства за счет повышения устойчивости корпуса от наружного сминающего давления и повышение эффективности работы устройства за счет обеспечения кругового действия струи с одновременным увеличением ее дальности и снижением фугасного действия при уменьшении массы заряда.

Необходимый технический результат достигается тем, что кумулятивное устройство для скважины включает сборный корпус, по меньшей мере, из двух частей, зафиксированных друг относительно друга, имеющих совмещенный между собой осевой канал и образующих между собой герметичную кольцевую полость, в которой размещен кольцевой кумулятивный заряд с прессованным взрывчатым веществом в металлической оболочке в виде тора, имеющей наружную кольцевую выемку, против которой корпус выполнен с уменьшенной по толщине наружной стенкой, при этом корпус имеет один, по меньшей мере, внутренний радиальный канал, связывающий кольцевую полость с осевым каналом, в котором размещено средство для инициирования кольцевого кумулятивного заряда через радиальный канал, а части корпуса сопряжены торцами вплотную друг к другу и выполнены с возможностью исключения напряжений от осевых нагрузок в зоне уменьшенной по толщине наружной стенки в условиях скважины.

Кроме того:

- кольцевой кумулятивный заряд выполнен со следующими соотношениями:

D=(2,2-2,5)L,

Н=(0,25-0,35)D,

S=(0,08-0,11)D,

где D - диаметр окружности, описывающей поперечное сечение заряда, мм;

L - глубина реза кумулятивной струи, мм;

Н - глубина кумулятивной выемки, мм;

S - толщина металлической оболочки, мм;

- части корпуса выполнены П-образными, телескопически входящими друг в друга, при этом кольцевая полость образована за счет наружной торцевой обточки нижней части корпуса, которая имеет радиальный канал, а ее осевой канал выполнен глухим, при этом уменьшенную по толщине наружную стенку имеет верхняя часть корпуса, которая выполнена со сквозным осевым каналом;

- в качестве средства для инициирования кольцевого кумулятивного заряда принят электродетонатор, при этом радиальный канал заполнен твердым или жидким взрывчатым веществом;

- оболочка кольцевого кумулятивного заряда выполнена из меди и заполнена гексогеном, прессованным до плотности 1,6 г/см³;

- корпус имеет два радиальных канала, выполненных друг к другу диаметрально, при этом каждый из каналов заполнен твердым или жидким взрывчатым веществом;

- сопряженные части корпуса выполнены из материала, имеющего одинаковый коэффициент температурного расширения.

Для нормальной работы кумулятивного заряда предусмотрено выполнение части корпуса, находящейся против заряда, с минимально необходимой (уменьшенной) толщиной стенки. В глубокой скважине с большим гидростатическим давлением указанный ослабленный участок корпуса подвержен совместно действующим напряжениям от наружного сминающего давления и от осевых нагрузок разной природы. Устойчивость от сминающего наружного давления снижается с увеличением диаметра корпуса и особенно резко снижается при наличии одновременно действующих напряжений от осевых нагрузок. В ряде случаев эти напряжения являются причиной кратного снижения устойчивости корпуса от наружного сминающего давления.

Для обеспечения заявленного технического результата части корпуса выполнены таким образом, чтобы они были сопряжены торцами вплотную друг к другу, что в значительной степени снижает возможность развития напряжений от осевых нагрузок в зоне уменьшенной по толщине наружной стенки в условиях скважины. Кроме того, сопряженные части корпуса выполнены из материала, имеющего одинаковый коэффициент температурного расширения. Это обеспечивает совместность температурной деформации и исключает взаимодействие между частями корпуса. Кроме того, в устройстве устранена возможность механического взаимодействия частей корпуса относительно друг друга в результате начальной (допустимой) деформации корпуса от наружного сминающего давления.

В отношении кумулятивных эффектов установлено экспериментальным путем, что дальность действия кумулятивной струи в значительной степени увеличивается с выполнением кольцевого кумулятивного заряда с металлической оболочкой в форме именно тора. При этом масса заряда при такой его форме, в сравнении с обычными зарядами, может быть снижена. Надежность (непрерывность) кругового действия кумулятивной струи обеспечена тем, что кумулятивный заряд выполнен из прессованного взрывчатого вещества. Вышеприведенные соотношения размеров кольцевого кумулятивного заряда обеспечивают наиболее оптимальные показатели работы устройства.

На фиг.1 показан общий вид устройства; на фиг.2 - геометрические размеры кумулятивного заряда; на фиг.3 - зависимости, подтверждающие оптимальные соотношения размеров кумулятивного заряда.

Устройство включает разъемный корпус, по меньшей мере, из двух сопряженных частей, выполненных, например, П-образными, телескопически входящими друг в друга. Одна из них, например верхняя часть 1, связана с подвеской устройства, например, кабелем (не показан) через переходник 2. Нижняя часть 3 корпуса зафиксирована, например, винтами 4 на верхней части 1 корпуса. Верхняя часть 1 корпуса выполнена со сквозным осевым каналом 5. Нижняя часть 3 корпуса выполнена с глухим осевым каналом 6, совмещенным с осевым каналом 5. Верхняя часть 1 и нижняя часть 3 корпуса образуют между собой герметичную кольцевую полость, в которой размещен кольцевой кумулятивный заряд 7 с металлической оболочкой в виде тора. Эта оболочка имеет наружную кольцевую выемку 8. Против нее корпус, например, в верхней его сопрягаемой части 1 выполнен с уменьшенной по толщине наружной стенкой 9. Корпус имеет также один, по меньшей мере, внутренний радиальный канал, заполненный взрывчатым веществом 10. Этот канал выполнен, например, в нижней части 3 корпуса. Этот канал связывает кольцевую полость, в которой размещен кольцевой кумулятивный заряд 7 с осевым каналом 6, в котором размещено средство, например, в виде электродетонатора 11 для инициирования кольцевого кумулятивного заряда 7 через радиальный канал 10 корпуса. Для этого радиальный канал 10 заполнен жидким или твердым взрывчатым веществом. Сопряжение частей 1, 3 корпуса осуществлено с возможностью исключения напряжений от осевых нагрузок в зоне уменьшенной по толщине наружной стенки 9 в условиях действия гидростатических и температурных нагрузок на корпус в условиях скважины. Для этого сопряженные части корпуса выполнены, например, из материала, имеющего одинаковый коэффициент температурного расширения. Кроме того, с выполнением, например, нижней части корпуса с упрочняющим поясом 12 в нижней части необходимо наличие зазора "δ" между этим поясом и ближайшим элементом верхней части 1 корпуса, достаточного по величине для исключения взаимодействия между ними в скважинных условиях при начальной (допустимой) деформации корпуса от наружного давления. Кроме того, на фиг.1 показаны уплотнительные элементы 13 для герметизации кольцевой полости с кольцевым кумулятивным зарядом 7. Для герметизации сквозного осевого канала 5 для электродетонатора 11 служит гермоввод 14, который зафиксирован колпачком 15. Винты 16 служат для подсоединения к подвеске (кабелю).

На фиг.3 показаны экспериментально полученные зависимости для кольцевого кумулятивного заряда с металлической оболочкой в виде тора, изготовленной из меди и заполненной прессованным гексогеном плотностью 1,6 г/см³. Установлено, что для кольцевого кумулятивного заряда, содержащего взрывчатое вещество и металлическую оболочку, выполненную в виде тора (см. фиг.2), дальность действия струи (глубина реза) зависит от наружного диаметра окружности, описывающей поперечное сечение заряда, глубины кумулятивной выемки и толщины металлической оболочки. Результаты приведены для труб. Кумулятивные заряды испытывали на стальных трубах с пределом прочности 50-100 кГ/мм². Указанный диапазон перекрывает практически весь диапазон стальных труб, используемых в скважинах. На основании полученных данных для достижения оптимального результата по дальности действия кумулятивной струи (глубине реза) были выявлены ранее упомянутые соотношения:

D=(2,2-2,5)L,

Н=(0,25-0,35)D,

S=(0,08-0,11)D.

Устройство работает следующим образом.

На требуемой глубине от импульса электрического тока, подаваемого с поверхности, срабатывает электродетонатор 11, детонация от него передается по заряду взрывчатого вещества 10 к кольцевому кумулятивному заряду 7. При детонации последнего образуется плоская кумулятивная струя, которая при своем радиальном перемещении от оси устройства сначала перерезает стенку корпуса 9 с уменьшенной толщиной, а затем, двигаясь дальше, воздействует на открытую стенку скважины или трубы, в которой размещено устройство.

Устройство, выполненное в соответствии с изобретением, позволяет:

- увеличить допустимую величину гидростатического давления в 1,5-2 раза (например, для устройства диаметром 118 мм - с 65 МПа до 130 МПа);

- повысить в значительной степени надежность кругового действия кумулятивной струи с эффективной и одинаковой дальностью действия;

- уменьшить массу взрывчатого вещества заряда.

Для подтверждения последнего заключения в нижеприведенной таблице приведены данные по массе взрывчатого вещества некоторых размеров устройств, выполненных в соответствии с изобретением, и таких же размеров существующих устройств.

Сравнение показывает, что масса взрывчатого вещества в кумулятивном заряде устройства по изобретению для трубы наружным диаметром 168 мм и более в три раза меньше, чем у существующих устройств для тех же размеров труб. Отсюда, очевидна значительная степень уменьшения побочного фугасного действия заряда в устройстве по изобретению.