Результат интеллектуальной деятельности: КУМУЛЯТИВНЫЙ ПЕРФОРАТОР ОДНОКРАТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Изобретение относится к прострелочно-взрывным работам в нефтяных и газовых скважинах.

Известно устройство для вскрытия и обработки призабойной зоны скважин / RU 2075593 С1, МПК⁶ Е21В 43/117, опубл. 1997.03.20 /. Устройство включает корпусный кумулятивный перфоратор с загерметизированными боковыми отверстиями, головкой, наконечником и воздушной камерой с атмосферным давлением, при этом боковые отверстия корпуса выполнены с возможностью их раскрытия от взрыва одного кумулятивного заряда.

Известное устройство использует перфоратор многократного применения, в котором отсутствует каркас для ориентации зарядов внутри корпуса, кумулятивные заряды располагают в корпусе напротив соответствующих сквозных отверстий, которые служат для установки зарядов, выхода кумулятивных струй зарядов и перетока скважинной жидкости вместе с загрязнениями в воздушную камеру. К недостаткам этого устройства следует отнести большое количество сквозных отверстий в корпусе, соответствующее количеству зарядов, предусмотренных конструктивно, что имеет негативную сторону, продукты взрыва, выходящие из перфоратора через боковые отверстия в большом объеме и с большой скоростью, в меньшей степени гасятся самим корпусом, следовательно, они способны повредить крепь скважины.

Известен корпус перфоратора / RU 2198286 С1, МПК⁷ Е21В 43/117, опубл. 2003.02.10/. Корпус содержит трубу со сквозными и глухими отверстиями под установку кумулятивных зарядов, головку и донную часть со сквозным отверстием, при этом на трубе выполнены дополнительные радиальные сквозные отверстия, не предназначенные для установки кумулятивных зарядов, часть которых выполнена напротив конических частей головки и донной части для перенаправления и ускорения отвода газов, образовавшихся от подрывов зарядов, и скважинной жидкости в сторону этих отверстий.

Предложенное выполнение дополнительных радиальных сквозных отверстий напротив головки и донной части корпуса предназначено для повышения ресурса резьбовых соединений корпуса, но дополнительное увеличение количества отверстий в корпусе ведет к тому, что продукты взрыва, выходящие из перфоратора через сквозные отверстия, способны нанести ущерб скважине. Как известно, перфоратор многократного применения изначально имеет большое количество сквозных отверстий в корпусе, соответствующее количеству зарядов, предусмотренных конструктивно, которые служат для установки зарядов, выхода кумулятивных струй зарядов, корпус перфоратора в меньшей степени гасит воздействие продуктов взрыва на крепь скважины.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка конструкции перфоратора однократного действия, сочетающей в себе высокую надежность и эффективность при проведении перфорации скважины с обеспечением высокой плотности перфорации без нанесения ущерба скважине.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении надежности и прочности перфоратора без нанесения ущерба скважине.

Указанный технический результат достигается тем, что кумулятивный перфоратор однократного применения содержит герметичный корпус, внутри которого расположен каркас для ориентации кумулятивных зарядов и устройство инициирования зарядов. Корпус имеет один или более предохранительных каналов для снижения нагрузки на корпус от продуктов взрыва, причем количество предохранительных каналов определено исходя из количества и характеристик взрывчатого материала и характеристик корпуса перфоратора. Кроме того, при размещении устройства инициирования в верхней части корпуса наибольшее количество предохранительных каналов расположено в верхней части корпуса, а при размещении устройства инициирования в нижней части корпуса наибольшее количество предохранительных каналов расположено в нижней части корпуса. В зависимости от расположения кумулятивных зарядов предохранительный канал расположен или соосно с зарядом, или перпендикулярно ему.

Из практики эксплуатации кумулятивных перфораторов однократного применения известно, что труба, из которой выполнен корпус перфоратора, не всегда изготавливается со стабильно высокими прочностными характеристиками, что приводит к разрушению корпуса при проведении прострелочно-взрывных работ в скважине, вызывая при этом аварийные ситуации. Поэтому наличие предохранительных каналов позволит повысить надежность перфоратора за счет снижения нагрузки на корпус от продуктов взрыва, способных разрушить корпус, с сохранением требуемой плотности перфорации. Количество предохранительных каналов минимально, значительно меньше количества зарядов, помещенных в перфоратор, и достаточно только для того, чтобы вывести из перфоратора то количество продуктов взрыва, которое может разрушить корпус. Большую часть нагрузки от продуктов взрыва гасит сам корпус перфоратора, а в скважину через предохранительные каналы выходят продукты взрыва в малом объеме и с невысокой скоростью, что исключает возможность повреждения крепи скважины.

Количество предохранительных каналов на корпусе перфоратора однократного применения можно определить исходя из количества и характеристик взрывчатого материала (далее ВМ) и прочностных и размерных характеристик трубы, из которой изготовлен корпус перфоратора, например, по следующей формуле (1):

где K₁ - коэффициент распределения взрывчатого материала;

К₂ - коэффициент совокупной прочности трубы.

Коэффициент K₁ определяется отношением (2):

где М_вм - масса взрывчатого материала, г;

V - Внутренний объем трубы, м³;

Q - Коэффициент энергетической эффективности кумулятивного заряда, снаряженного ВМ (для гексогена - 0,2; для октогена - 0,18).

Коэффициент совокупной прочности трубы К₂ определяется суммой коэффициентов соответствующих прочностных характеристик (3):

где Кσ_в - коэффициент предела прочности материала;

Кσ_т - коэффициент предела текучести материала;

Кδ - коэффициент относительного удлинения;

Кксu - коэффициент ударной вязкости;

Ks - коэффициент толщины стенки трубы;

Кз - коэффициент размера зерна материала.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен перфоратор в разрезе, на фиг.2 - то же, с расположением устройства инициирования внизу, на фиг.3 - то же, с расположением инициирующего устройства вверху, на фиг.4-7 показано расположение предохранительного канала в зависимости от ориентации заряда, на фиг.8 представлена диаграмма для определения коэффициентов в зависимости от номинальных значений прочностных характеристик материала корпуса перфоратора.

Перфоратор содержит корпус 1, каркас 2 с посадочными местами для кумулятивных зарядов. Корпус 1 загерметизирован головкой 3 и наконечником 6. Каркас 2 выполнен в виде перфорированной трубы и коаксиально расположен внутри корпуса 1. Кумулятивные заряды последовательно соединены детонирующим шнуром 4 и устройством инициирования 5 (например, детонатор). В корпусе 1 выполнены предохранительные каналы 7, которые служат для сообщения внутренней полости перфоратора со скважиной, и предназначены для вывода излишних продуктов взрыва из перфоратора, способных разрушить его корпус. Предохранительные каналы 7 герметизируют перед спуском в скважину.

Задавая требуемые параметры перфорации, определяют требуемое суммарное количество предохранительных каналов 7 (либо один, либо более). Можно также выбрать расположение предохранительных каналов 7 в зависимости от ориентации зарядов 8 и от размещения устройства инициирования 5 (в верхней части корпуса или в нижней).

Так как максимальное воздействие нагрузки от продуктов взрыва на корпус возникает в той части, где расположено устройство инициирования 5, то наибольшее количество предохранительных каналов (или один) желательно располагать в этой части для обеспечения выхода пиковой нагрузки от продуктов взрыва в скважину. Таким образом, при размещении устройства инициирования 5 в верхней части корпуса 1 размещение предохранительных каналов 7 начинают с верхней части корпуса (фиг.3). При размещении устройства инициирования 5 в нижней части корпуса 1 размещение предохранительных каналов 7 начинают с нижней части корпуса (фиг.2).

Известно, что кумулятивные заряды располагают в корпусе перфоратора с различными углами поворота между собой в радиальном направлении (например, образуя спираль). В зависимости от расположения кумулятивных зарядов 8 предохранительный канал 7 может быть расположен соосно с осью 9 заряда 8 (фиг.4, 5) или перпендикулярно ему (фиг.6, 7), что обусловлено распределением векторов направления продуктов взрыва.

Собранный на поверхности скважины перфоратор спускают на каротажном кабеле или НКТ в заданный интервал скважины. При проведении инициации срабатывает детонирующий шнур 4 и кумулятивные заряды 8. После срабатывания зарядов 8 корпус 1 перфоратора гасит основную часть их фугасного воздействия, а излишние продукты взрыва (пиковые), способные разрушить корпус 1, выходят через предохранительный канал 7 в скважину. После отстрела перфоратор поднимают на поверхность.