Патент на изобретение №2270911

(54) КОРПУСНОЙ СКВАЖИННЫЙ КУМУЛЯТИВНЫЙ ПЕРФОРАТОР (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к кумулятивным перфораторам. Обеспечивает повышение производительности прострелочно-взрывных работ. Сущность изобретения: перфоратор содержит корпус в виде ряда секций-модулей. В каждом модуле размещены кумулятивные заряды, связанные между собой детонационной цепью в виде детонирующего шнура, переходников, соединяющих секции между собой через устройство передачи детонации. Последнее включает последовательно собранные кумулятивную шашку-передатчик детонации и шашку-приемник. Шашка-передатчик детонации и шашка-приемник размещены соответственно в цельнометаллической пробке с осевым каналом и в цельнометаллическом переходнике на подпружиненной втулке. Шашка-передатчик детонации установлена на расстоянии, не совпадающем с фокусным. В корпусе шашки-приемника закреплена накладка с кумулятивной выемкой со стороны детонирующего шнура. Кумулятивные заряды размещены в толстостенном металлическом каркасе. Согласно первому варианту устройство детонации перфоратора реализовано в виде последовательной сборки взрывозащищенного патрона, отрезка термостойкого детонирующего шнура и кумулятивной шашки-передатчика в отдельном корпусе либо взрывозащищенного баростойкого патрона. Согласно второму варианту устройство детонации перфоратора реализовано в виде последовательной сборки пассивного усилителя детонации, отрезка термостойкого детонирующего шнура и кумулятивной шашки-передатчика в отдельном корпусе. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к прострелочно-взрывной аппаратуре, применяемой в нефтегазовой промышленности, и может найти применение непосредственно в кумулятивных перфораторах.

При добыче нефти из подземной геологической формации в стволе пробуренной скважины размещают обычно обсадную трубу, и при добыче жидких углеводородов обсадная труба перфорируется с помощью перфоратора, содержащего большое количество кумулятивных зарядов взрывчатого вещества.

Действие кумулятивного перфоратора основано на способности кумулятивной струи, образуемой при детонации взрывчатого вещества облицованного кумулятивной выемкой, пробивать отверстия или каналы в различных преградах, такая струя при вскрытии образует канал в призабойной зоне пласта.

Известен перфоратор для использования в нефтяной скважине (см. патент US № 4738319, МПК Е 41 В 43/117, НКИ 175-4.6, 14.04.88), включающий несколько механических последовательно соединенных секций, каждая из которых содержит ряд кумулятивных зарядов и отрезок детонирующего шнура для обеспечения огневой связи между секциями, причем в нижнем конце каждой секции установлен направленный вниз малый кумулятивный заряд, ось которого совпадает с осью перфоратора, а в верхнем конце каждой секции расположен заряд взрывчатого вещества, закрытого металлической мембраной, отрезок детонирующего шнура проходит через всю секцию, соединяя верхний заряд, боковые кумулятивные заряды, которые он связывает известным способом, и воспламенитель, установленный непосредственно под нижним кумулятивным зарядом, при срабатывании устройства детонации волна, перемещаясь по оси детонирующего шнура, действует на воспламенитель, который инициирует воспламенение кумулятивного заряда, прожигающего мембрану между секциями, в результате чего происходит детонация заряда взрывчатого вещества и распространение детонационной волны по детонирующему шнуру нижнего конца.

Известен кумулятивный скважинный перфоратор (см. Н.Г.Григорян, 1990, Краткий справочник по прострелочно-взрывным работам, Москва. Недра, стр.70-73), содержащий трубчатый корпус, выполненный из отдельных модулей, шарнирно соединенных между собой с возможностью пространственного отслеживания профиля скважины, причем в корпусе каждого модуля смонтированы вкладыши из пеноматериала с ориентированными в разные направления гнездами для кумулятивных зарядов и с боевой цепью, выполненной в виде гибкой огневой связи с возможностью последовательного инициирования от модуля к модулю.

Недостаток данного технического решения является невысокие эксплуатационные возможности, обусловленные необходимостью выполнения большого количества сборочных операций непосредственно перед применением перфоратора, что приводит к непроизводительным потерям времени при сборке перфоратора, малая надежность работы огневой связи, приводящая к большим зазорам в зонах передачи детонационного импульса от модуля к модулю, отказам работы перфоратора вследствие разгерметизации одного из корпусов модулей, приводящего к разрушению ослабленной зоны передачи детонации, малая технологичность изготовления корпусов модулей, невысокая безопасность собранного перфоратора, так как оболочка огневой цепи для обеспечения ее гибкости выполнена относительно тонкой.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является корпусной скважинный кумулятивный перфоратор (см. патент RU 2215127, МПК Е 21 В 43/117, от 30.12.03), содержащий корпус в виде ряда секций модулей, кумулятивные заряды, соединенные между собой, детонационной цепью в виде детонационного шнура, переходники, соединяющие секции между собой, и устройства передачи детонации от модуля к модулю, причем детонационная цепь между модулями включает последовательно выполненные шашку-передатчик детонации, стальную пробку преграду, ввернутую в верхнюю часть центрального отверстия переходника, шашку-приемник, соединенную со второй шашкой-передатчиком отрезком термостойкого детонационного шнура и вторую шашку-приемник, установленную в начале детонационной цепи следующего модуля.

Первую шашку-приемник детонации выполняют с кумулятивной выемкой, облицованной металлической фольгой, и устанавливают перед стальной пробкой-преградой с зазором, величина которого определена конфигурацией кумулятивной выемки с условием фокусирования кумулятивной струи на поверхность стальной пробки-преграды.

Обе шашки-приемника помещают в металлические колпачки, в которые предварительно запрессовывают навеску порошка термостойкого бризантного взрывчатого вещества.

Шашки-приемники устанавливают с зазорами, обеспечивающими гарантирование срабатывания всего перфоратора в рабочих условиях и гарантированный отказ – при разгерметизации системы, а именно: первую шашку-приемник – не более 10 мм от поверхности стальной пробки -преграды, вторую шашку-приемник – 12-25 мм от торца второй шашки-передатчика.

Межмодульную детонационную цепь выполняют в виде законченных элементов, содержащих в себе стальную пробку-преграду, герметизирующую одну секцию перфоратора от другой, в которую вворачивается сборка, состоящая из двух металлических втулок с шашкой-приемником и шашкой-передатчиком, собираемых с трубками из композиционного материала и соединенных между собой отрезком термостойкого дистанционного шнура встык с шашками, проходящего по центральному отверстию трубки, а каждый модуль перфоратора содержит в верхней части втулку с шашкой-приемником, а в нижней – втулку с шашкой-передатчиком с кумулятивной выемкой.

Все взрывчатые компоненты изготавливаются из термостойких бризантных взрывчатых составов.

Наличие герметичных заглушек в крышках может привести к разгерметизации перфоратора, причем зазор в этом случае не будет никогда заполнен скважинной жидкостью, что исключит предохранительные действия устройства.

Наличие сквозного отверстия в крышках является существенным ослаблением механической прочности их.

Крепление кумулятивных зарядов с помощью гаек может привести к отвороту и выпадению кумулятивных зарядов из каркаса.

Выполнение каркаса в виде ленты не оказывает сдерживающего эффекта от фугасного воздействия кумулятивных зарядов (проверено экспериментально).

Наличие негерметичного шарнирного переходника, а следовательно, и заглушки неоправданно, поэтому применение тех же устройств детонации невозможно при наличии этого переходника, что снижает плотность перфорации.

Устройство передачи детонации расположено в осевом канале как в секции, так и в шарнирном переходнике, что приведет к разрушению крышек и переходников.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей устройства путем повышения производительности прострелочно-взрывных работ при любом гидростатическом давлении (от 1 до 1000 атм.) и высокой надежности срабатывания и повышении живучести (долговечности перфоратора).

Технический результат изобретения, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении производительности прострелочно-взрывных работ за счет увеличения пробивной способности перфоратора (увеличение диаметра, глубины и плотности перфорационных каналов) с высокой степенью надежности его срабатывания.

В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения указанный технический результат достигается за счет того, что в корпусной скважинный кумулятивный перфоратор, содержащий корпус в виде ряда секций-модулей, в каждом из которых размещены кумулятивные заряды, связанные между собой детонационной цепью в виде детонирующего шнура, переходников, соединяющие секции между собой через устройство передачи детонации, включающее последовательно собранные кумулятивную шашку-передатчик детонации и шашку-приемник, причем шашка-передатчик детонации и шашка-приемник размещены соответственно в цельнометаллической пробке с осевым каналом и в цельнометаллическом переходнике на подпружиненной втулке, шашка-передатчик детонации установлена на расстоянии, не совпадающем с фокусным, а в корпусе шашки-приемника закреплена накладка с кумулятивной выемкой, кроме того, кумулятивные заряды размещены в толстостенном металлическом каркасе, а устройство детонации перфоратора реализовано в виде последовательной сборки взрывозащищенного патрона, отрезка термостойкого детонирующего шнура и кумулятивной шашки-передатчика в отдельном корпусе либо взрывозащищенного баростойкого патрона.

В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения указанный технический результат обеспечивается за счет того, что в корпусной скважинный кумулятивный перфоратор, содержащий корпус в виде ряда секций-модулей, в каждом из которых размещены кумулятивные заряды, связанные между собой детонационной цепью в виде детонирующего шнура, переходников, соединяющие секции между собой через устройство передачи детонации, включающее последовательно собранные кумулятивную шашку-передатчик детонации и шашку-приемник, причем шашка-передатчик детонации и шашка-приемник размещены соответственно в цельнометаллической пробке с осевым каналом и в цельнометаллическом переходнике на подпружиненной втулке, шашка-передатчик детонации установлена на расстоянии, не совпадающем с фокусным, а в корпусе шашки-приемника закреплена накладка с кумулятивной выемкой, кроме того, кумулятивные заряды размещены в толстостенном металлическом каркасе, а устройство детонации перфоратора реализовано в виде последовательной сборки пассивного усилителя детонации, отрезка термостойкого детонирующего шнура и кумулятивной шашки-передатчика в отдельном корпусе.

Для обоих вариантов исполнения модули могут быть выполнены с возможностью не использования ряда кумулятивных зарядов для вскрытия продолжительных сложнопостроенных пластов, кроме того, модули могут быть выполнены с определенным типом кумулятивных зарядов для получения увеличенного диаметра отверстий в обсадной колонне для последующего гидроразрыва пласта.

Сущность изобретения заключается в использовании корпусного скважинного кумулятивного перфоратора, секции которого герметичны и не разбираемы до и после отстрела перфоратора, причем все секции перфоратора испытаны внешним гидростатическим давлением на заводе изготовителе, обеспечивая повышенную надежность срабатывания кумулятивного перфоратора.

Использование подпружиненной втулки для крепления шашек-приемников, гарантированно стабилизирует необходимый зазор, а применение мощного каркаса из стальной трубы обеспечивает стойкость корпуса к фугасному воздействию (существенно снижены предельные значения деформации корпуса), при наличии модуля пропуска для обработки сложнопостроенных пластов за один спуск с использованием устройств инициирования для кабельного и трубного вариантов перфоратора.

Применение в металлическом колпачке запрессованного чистого бризантного термостойкого вещества, причем основной заряд запрессован в массивный металлический корпус, в нижней части которого закреплена накладка, обеспечивающая кумулятивный эффект при передаче импульса от взрывчатого материала детонирующему шнуру, что значительно увеличивает надежность передачи даже при отходе детонирующего шнура до 5-7 мм от корпуса шашки-приемника.

Верхняя часть переходника выполнена цельной, что значительно повышает надежность герметизации. Местоположение шашки-передатчика с кумулятивной выемкой не в фокусе, а в месте наилучшей передачи детонации шашке-приемнику определенного диаметра канала способствует повышению надежности передачи детонации.

Предложено максимальное укорочение переходника, что позволяет осуществить непосредственную передачу детонационного импульса от секции к секции, этим удалось повысить плотность перфорации (количество отверстий на один погонный метр обсадной колонны) за счет сокращения длины паразитных стыковочных элементов. Возможность набора перфоратора из стандартных модулей любой длины при селективной перфорации с различной плотностью размещения кумулятивных зарядов и возможной доставкой перфоратора в интервал перфорации на кабеле или на насосно-компрессорных трубах.

Существенная устойчивость к разрушению перфоратора в случае несанкционированного прекращения детонации в сборке при использовании стандартных средств инициирования, например: ИГ-1, УДГ, ПВПД-Н, ПГН-150.

Сравнение предлагаемого изобретения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые позволяют успешно реализовать поставленную цель.

Сущность предлагаемого технического изобретения будет понятна из следующего описания и приложенного к нему графического материала.

Изобретение поясняется чертежами, где

на фиг.1 представлен общий вид перфоратора;

на фиг.2 – устройство детонации перфоратора для кабельного исполнения;

на фиг.3 – устройство детонации перфоратора для трубного исполнения.

Корпусной скважинный кумулятивный перфоратор содержит: корпус 1 в виде ряда секций-модулей 2, кумулятивные заряды 3, детонирующий шнур 4, цельнометаллический переходник 5, устройство передачи детонации 6, кумулятивная шашка-передатчик детонации 7, шашка-приемник 8 первого модуля, шашка-приемник 8¹ второго модуля, цельнометаллическая пробка 9, подпружиненная втулка 10, осевой канал в цельнометаллической пробке 11, накладка с кумулятивной выемкой 12, толстостенный металлический каркас 13, устройство детонации перфоратора 14 в отдельном корпусе 15, взрывозащищенный патрон 16, отрезок термостойкого детонирующего шнура 17 и кумулятивная шашка-передатчика 18, усилителя детонации 19.

Перфоратор работает следующим образом.

После установки перфоратора в скважине на заданной глубине (в заданном интервале перфорации) производят задействование устройства детонации перфоратора 14, инициируется шашка-приемник 8 и термостойкий детонирующий шнур 4 первого модуля, от которого детонация передается кумулятивным зарядам 3 перфоратора и далее к шашке-передатчику с кумулятивной выемкой 7 (активный заряд, вызывающий детонацию), которая установлена на расстоянии, не совпадающем с фокусным (экспериментально определено и установлена на расстоянии, гораздо меньшем фокусного), причем фокусное расстояние – минимальное расстояние от преграды, при котором кумулятивная струя образует максимальную пробивную способность, причем кумулятивная струя, продвигаясь далее по открытому воздушному каналу определенного диаметра цельнометаллической пробки (причем опытным путем подобран диаметр канала передачи кумулятивной струи в цельнометаллической пробке к пассивной шашке-приемнику 8¹, с минимальным расстоянием между шашкой-передатчиком 7 (активным зарядом) и шашкой-приемником 8¹ (пассивным зарядом), пробивает стальную пробку 9 – преграду и инициирует детонацию в шашке-приемнике 8¹ второго модуля, которая передает усилие детонирующего шнура 4 второй шашке-передатчику и процесс передачи детонации повторяется циклически, переходя от модуля к модулю (см. Физика взрыва, 2002, под ред. Л.И.Орленко, Москва, Физматлит, т.2, стр., 202, т.1, стр.233-234).

Количество секций-модулей в перфораторе определяется размерами пластов и конфигурацией скважины, инициирующий импульс через детонирующее устройство передается сверху вниз, причем в зоне стыковки усилитель детонации усиливает этот импульс, что позволяет надежно передать этот импульс по огневой цепи, причем в случае задавливания перфоратора или прерывания детонации в цепи изолированность каждого модуля позволяет предотвратить неэффективное срабатывание в последующих модулях и сохранить их для дальнейшего использования.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении производительности прострелочно-взрывных работ за счет сокращения сборочных операций непосредственно на скважине, повышения качества сборки одновременно с высокой степенью надежности срабатывания, возможности вскрытия протяженных сложнопостроенных пластов как на кабеле, так и на насосно-компрессорных трубах.

Предполагается, что все варианты исполнения модулей с разной плотностью при устойчивой передачи детонации, использующие оптимизированные кумулятивные усилители между модулями с устойчивостью к транспортной тряске и осевым ударам конструкций крепления зарядов в корпусе, принятым мерам от самораскручивания, несанкционированной разборки входят в объем настоящего изобретения, сущность которых должна определяться предшествующим описанием и прилагаемой формулой изобретения.

Формула изобретения

1. Корпусной скважинный кумулятивный перфоратор, содержащий корпус в виде ряда секций-модулей, в каждом из которых размещены кумулятивные заряды, связанные между собой детонационной цепью в виде детонирующего шнура, переходников, соединяющих секции между собой через устройство передачи детонации, включающее последовательно собранные кумулятивную шашку-передатчик детонации и шашку-приемник, причем шашка-передатчик детонации и шашка-приемник размещены соответственно в цельнометаллической пробке с осевым каналом и в цельнометаллическом переходнике на подпружиненной втулке, шашка-передатчик детонации установлена на расстоянии, не совпадающем с фокусным, а в корпусе шашки-приемника закреплена накладка с кумулятивной выемкой со стороны детонирующего шнура, кроме того, кумулятивные заряды размещены в толстостенном металлическом каркасе, а устройство детонации перфоратора реализовано в виде последовательной сборки взрывозащищенного патрона, отрезка термостойкого детонирующего шнура и кумулятивной шашки-передатчика в отдельном корпусе либо взрывозащищенного баростойкого патрона.

2. Корпусной скважинный кумулятивный перфоратор, содержащий корпус в виде ряда секций-модулей, в каждом из которых размещены кумулятивные заряды, связанные между собой детонационной цепью в виде детонирующего шнура, переходников, соединяющих секции между собой через устройство передачи детонации, включающее последовательно собранные кумулятивную шашку-передатчик детонации и шашку-приемник, причем шашка-передатчик детонации и шашка-приемник размещены соответственно в цельнометаллической пробке с осевым каналом и в цельнометаллическом переходнике на подпружиненной втулке, шашка-передатчик детонации установлена на расстоянии, не совпадающем с фокусным, а в корпусе шашки-приемника закреплена накладка с кумулятивной выемкой со стороны детонирующего шнура, кроме того, кумулятивные заряды размещены в толстостенном металлическом каркасе, а устройство детонации перфоратора реализовано в виде последовательной сборки пассивного усилителя детонации, отрезка термостойкого детонирующего шнура и кумулятивной шашки-передатчика в отдельном корпусе.

3. Корпусной скважинный кумулятивный перфоратор по п.1 или 2, отличающийся тем, что модули выполнены с возможностью неиспользования ряда кумулятивных зарядов для вскрытия продолжительных сложнопостроенных пластов.

4. Корпусной скважинный кумулятивный перфоратор по п.1 или 2, отличающийся тем, что модули выполнены с определенным типом кумулятивных зарядов для получения увеличенного диаметра отверстий в обсадной колонне для последующего гидроразрыва пласта.

РИСУНКИ