Устройство для перфорации буровых скважин

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Л0„„1223845 (51)4 E 21 В 43/116

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н OATEHTY фБДд,.-.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2174713/22-03 (22) 19.09.75 (3 1) 743 1759, 7431760 (32) 20.09.74 (33) ГВ. (46) 07.04.86. Бюл. У 13 (71) Шлюмбергер Оверсиз С,A. (РА) (72) Жан Лавинь, Пьер Шеснель и Жерар Бугийон (РБ.) (53) 622.243(088.8) (56) 1. Патент США Р 3177808, кл. 102-20, опублик. 1965.

2. Патент США N - 3366188, кл. 128-142, опублик. 1968. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРФОРАЦИИ

БУРОВЫХ СКВАЖИН, содержащее опорную штангу, имеющую крепежные отверстия и в поперечном сечении наружный профиль выпуклый, а внутренний— вогнутый, на который опираются передние стороны кумулятивных зарядов в герметизированных оболочках, установленные в крепежных отверстиях, а задние стороны зарядов имеют канал для детонирующего шнура, о т л ичающее с я тем, что, с целью повышения надежности перфорации, опорная штанга выполнена из уйругой стали, а в середине интервала между каждыми двумя крепежными отверстиями на одной прямой с ними выполнены дополнительные отверстия, причем головки снарядов установлены продольно.!

223845

Изобретение относится к устройствам с кумулятивными зарядами для ввода в эксплуатацию скважин, а именно к устройствам с несущей штангой, предназначенным для опускания в га— зовые скважины через насосно-компрессорную трубу с тем, чтобы несущая штанга затем была поднята на поверхность после подрыва зарядов.

Когда заряды подрываются в скважи- 1О нах, содержащих жидкость (промывочный раствор, масло или воду), несущая штанга испытывает в момент подры . ва удар, в достаточной мере ослаблен"ный жидкостью вследствие чего раз- "5

Р рыва в штанге не возникает 11 „

Недостатком является то, что если узел зарядов, установленных на несущую штангу, неправильно приложен к стенке подлежащего пробиванию креп-- M ления ствола скважины, удар, приложенный к несущей штанге в момент подрыва зарядов, полностью поглощается этой штангой, так как газ не смягчает перемещение штанги. В этих условиях, если профиль се ения штанги не был специально разработан для этой цели, усилия, приложенные к соединениям, связывающим штанги между собой, или даже усилия, непосредственно « рило-женные к штангам, в частности, когда последние имеют большую длину (3

5 м), очень часто превьплают сопротивление рызрыву стали штанги. В результате этого происходит разрыв

3, 1 штанги на куски разной длины, которые невозможно извлечь.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является устройство

40 для перфорации буровых скважин, со.держащее опорную штангу, имеющую крепежные отверстия и в поперечном сечении наружный профиль выпуклый, а внутренний — вогнутый, на который

45 опираются передние стороны кумулятивных зарядов в герметизированных оболочках, установленные в крепежных отверстиях, а задние стороны зарядов имеют канал для детонирующего шпу50 ра (21.

Недостатком этого устройства является то, что в скважине, наполнен= ной газом, такая штанга имеет вследствие взрыва многочисленные трещины, которые лишают ее прочности. К тому же под воздействием удара, создаваемого при каждом взрыве, участок несущей штанги, где это происходит, слегка выгибается, полученные таким образом изгибы складываются друг с другом вдоль штанги, образуя единую дугу, которая заклинивается в скважине и делает невозможным подьем через насосно-компрессорную трубу деформированной таким образом штанги.

Целью изобретения является повы— шение надежности перфорации.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для перфорации буровых скважин, содержащем опорную штангу, имеющую крепежные отверстия и в поперечном сечении наружный профиль выпуклый, а внутренний вогнутый, на который опираются передние стороны кумулятивных зарядов

B герметизированных оболочках, установленные в крепежных отверстиях, а задние стороны зарядов имеют канал для детонирующего шпура, опорная штанга выполнена из упругой стали, а в середине интервала между каждыми двумя крепежными отверстиями на одной прямой с ними выполнены дополнительные отверстия, причем головки снарядов установлены продольно.

На фиг. 1 представлена схема внутренней поверхности участка несущей штанги„ на фиг. 2 — разрез

А-A на фиг. 1, на фиг. 3 и 4 — схемы двух соединений, связывающих две несущие штанги; на фиг. 5 — кумулятивный заряд, завинченный в соответствующий держатель, на фиг. б и ? вместилище для детонирующего шнура.

Несушая стальная штанга 1 (фиг.1 и 2) имеет -:åðåç равные интервалы ряд резьбовых отверстий 2, приспособленных для приема. головок крепления кумулятивных зарядов 3. Отверстия

2 проделаны в оси штанги, при этом их диаметр в основном равен ширине центрального плоского участка 4, который имеется на внутренней поверхности штанги„ Внешняя поверхность несущей штанги 1 является кольцевой.

Кроме того, внутренняя поверхность штанги содержит боковые плоские участки 6 и 7, которые имеют профиль, соответствующий внешнему переднему профилю применяемых зарядов. Угол раскрытия боковых плоских участков

6 и 7 незначительно уменьшен (на

1/2 градуса) по отношению к углу передней части зарядов. Таким образом, 122385 закручивание до отказа головок зарядов в резьбовые отверстия несущей штанги сопровождается легкой деформацией штанги, что представляет собой блокировочный стопор для зарядов.

В середине интервала, разделяющего два соседних крепежных отверс-:. тия, и на их уровне проделано дополнительное отверстие 8 диаметром, равным предыдущим. Сечение штанги (фиг. 2) имеет примерно постоянную толщину.

Ширина штанги устанавливается в зависимости от размеров передней части подрываемых зарядов, в связи с чем ее толщина определяется механическими свойствами используемой стали.

Рассмотрим три определяющих качества. Первое заключается в .максималь- 2п ном относительном удлинении (или разрыве при растяжении) стали, которая выбирается в зависимости от остаточной деформации, которую может выдержать штанга под воздействием взрыва.

Второе качество представляет собой стойкость стали на разрыв, третье упругая деформация, т.е. характеристика сопротивления удару применяемой стали или же отношение между поглощенной кинетической энергией, необходимой для разрыва металла, и поверхностью сечения разрыва. Сталь, упругая деформация которой находится в пределах 3 — 7 даДж/см, успешно использована для эксперимента.

Выбирая в качестве характеристик стали штанг максимальное относительное удлинение, превышающее 107.-ную упругую деформацию, превышающую

3 даДж/см и сопротивление на разрыв

40 в пределах, указанных выше, средняя толщина штанги будет взята примерно равной одной десятой длины ее внешнего профиля.

Соединение между двумя несущими штангами 9 и 10 (фиг, 3) содержит две соединительных секции 11 и 12 соответственно, связанные со штангами 9 и 10 выгнутыми участками, образующими две ступеньки 13 и 14, выполненные под прессом со стороны внутренней поверхности штанг. Высота этих ступенек в основном равна или слегка превышает толщину в центре штанг 10. Длина соединительных секций 11 и 12 несколько превы,шает интервал, разделяющий отверстие для крепления зарядов и вспомоraòtëüíîå отверстие. Каждая секция

15 имеет отверстие для крепления, расточенное, таким образом, чтобы устранить первоначальную резьбу, и .. промежуточное отверстие 16, расточенное таким же образом. Сверх соединительных секций 11 и 12 соединение содержит соединительную полосу 17, вырезанную из несущей штанги и имеющую две парь резьбовых отверстий

2 и 18, т.е. два крепежных отверстия

2 и два вспомогательных отверстия

S. специально нарезанные резьбой для их новой функции. Соединительная полоса 17 прикреплена к наружным по верхностям обоих штанг 9 и 10 четырьмя винтами 19 — 2?.

Кумулятивный заряд 23 (фиг. 5) содержит корпус 24 общей цилиндрической формы и крышку 25 общей формы усеченного конуса. Крышка 25 имеет в своем центре крепежную головку 26 с наружной резьбой, завинчиваемую в резьбовое отверстие 27, выполненное в несущей штанге 28, при этом высота головки 26 в основном равна толщине штанги на уровне от— верстия 27. Внешние профили передней стенки головки 26 и поперечного сечения несущей штанги 28 являются круговыми и, кроме того, в основном совпадают. Внутренний профиль поперечного сечения несущей штанги 28 в основном соответствует наружному профилю крьппки 25, который имеет угол раскрытия 120 . При этом угол о раскрытия боковых плоских поверхностей штанги 28 несколько меньше первого угла (на 1/2 градуса), в результате чего вследствие ввинчивания крепежной головки 26 в отверстие 27 происходит легкая деформация несущей штанги для того, чтобы создать блокировочный стопор для головки 26, ввинченной в отверстие 27, Внутренний угол раскрытия крышки 25 состава ляет примерно 110 . Так как внешний угол раскрытия крышки 25 составляет

120, крышка 25 имеет уменьшающуюся толщину от своего основания до центра, Крышка 25 имеет вблизи своего основаНИЯ, С ОДНОИ СтороНЫ, КРУГОВОИ ВЫрез 29, образующий упор, в который упирается передняя кромка корпуса 24 заряда, и, с другой стороны, кольцевой выступ 30,. который взаимодействует с фланцем 31, жестко соединенным с корпусом 24 заряда, с целью

5 1223 эажатия тороидального уплотнения 32.

Задняя сторона 33 фланца 31 является наклонной и крайний борт 34 крышки

25 зажат на этой стороне так, чтобы получить ограниченное соединение в оправу корпуса 24 заряда в крьппке

25. Борт 34 крышки 25 прежде всего несколько зажат на борт 33 фланца 30 таким образом, чтобы корпус 24 заряда мог легко вращаться от руки по от- !О ношению к крышке 25 при сохранении хорошей герметичности благодаря частичному сдавливанию уплотнения 32.

Затем в трех или в четырех участках небольшой протяженности, равномерно удаленных один от другого, край 34 сильно сдавлен прессом так, чтобы усилие вращения, превышающее определенный уровень (1 — 3 кгм), стало необходимь|м для поворота корпуса эа- б ряда по отношению к его крышке.

С задней стороны корпуса 24 заряда выточен выступ 35 общей цилиндрической формы, в котором проделан канал 36, служащий вместилищем дпя детонирующего шнура. С обеих сторон канала 36 кромки выступа 35 наклонены (37, 39) так, чтобы круг 40, кото -рый продолжением профиля внешней стенки несущей штанги 28, был в основном ЗО касательным к кромке 41, образованной таким образом на выступе 35. Диаметр канала 36 несколько превышает . диаметр детонирующего шнура, который применяется. Толщина внешней стенки канала на уровне кромки 41 составляет 1 мм в случае, когда корпус заряда из стали. В этом же случае диаметр выступа 35 примерно в три раза больше диаметра канала 36. QQ

Внутри корпуса 24 заряда вЬп1олнено цилиндрическое отверстие 42 со слегка сужающимся дном 43. В центре дна

43 выполнена небольшая выемка 44, содержащая капсюль-детонатор 45, выполненный из взрывчатого вещества первичного типа. Максимальная толщина стенки 46, которая разделяет выемку 44 и канал 36, определяется при50 родой металла, из которого выполнен корпус 24 заряда. Чем более механически прочен этот металл, тем меньшей будет толщина этой стенки. Отношение между диаметрами выступа 35 и канала 36 выбрано в прямой зависи:мости от этого механического сопротивления (в то время как толщина кана ла 36 на уровне кромки 4 1 может уменьшаться в зависимости от этого же .самого сопротивления) с тем, чтобы увеличить замкнутость детонации детонирующего шнура в канале 36 и увеличить таким образом надежность взрывчатого соединения через стенку 46 секции детонирующего шнура, взрывающегося в канале 36„ и капсюля-детонатора 45, установленного в выемк» 44.

Полость 42 содержит шашку взрывчатого вещества 47 вторичного типа, в которой выполнена выемка общей конической формы, стенка которой имеет оболочку 48, выполненную, например из спрессованного металлического порошка.!Пашка взрывчатого вещества

47 непосредственно образована в полости 42 и гаким образам удерживается в ней надежно. Однако у основания оболочки 48 нанесена полоска клея для гого, чтобы избежать отделе ния крупинок пороха от шашки взрывчатого вещества 47, которые могут оседать на уровне упора 29 или выступа 35, что могло бы представить опасность воспламенения в момент установки в одну линию вместилищ детонирующего шнура путем вращения корпуса зарядов по отношению к их крышке.

Внутренняя часть крепежной головки

26 выполнена пустотелой, при этом кромки внутреннего и наружного сое динения головки 26 и крышки 25 в основном расположены в одной плоскости. Толщина передней стенки (в форме сферического сектора) головки 26 определяется в зависимости от механической прочности металла, применяемого для этой цели, и максимального давления, которое требуется выдержать в скважине. Толщина боковой стенки головки 26 определяется с учетом того, что эта стенка выдеркивает давление скважины только через несущую штангу 28, что позволяет значительно ее уменьшить. На практике эта толщина определяется минимальным диаметром выемки головки ?6, а >тот диаметр должен быть значительно больше диаметра (примерно 8 мм) перфорации, которая выполняется струей в передней стенке головки 26 в момент подрыва заряда. !

<ром« того, важно, чтобы образование пробивающей струи ни в чем не получало противодействия со стороны внутренней стенки крышки 25. В кумулятивных зарядах, применяемых в воен ных целях, передняя стенка крышки

1.> > 1о,.„. таким образом удалена на возможно большее расстояние ат основания оболочки, чта позволяет пробивающей струе лучше вытянуться, прежде чем войти в контакт с первой целью (крыш- 5 ка), которая встречается ей на пути, и получить таким образом максимальные характеристики. Учитывая ограниченные габариты предписываемые для кумулятивных зарядов нефтяной промыш-10 ленности подобное решение невозмож> но. Максимальное снижение размеров внешних выступов заряда позволяет высвободить несколько дополнительных миллиметров как в отношении вы- 15 соты оболочки, так и в отношении высоты крышки. Целесообразный компромисс, подтвержденный опытом (край уг лубления головки не затрагивается струей), заключается в выборе внут- 20 реннего угла раскрытия в 110 для крышки 25, при этом предполагаемая вершина этого усеченного конуса в основном расположена на передней стенке изнутри головки 26.

Установка на места зарядов 3 или

23 на несущие штанги 1 (фиг. 1) или

28 (фиг. 5) является очень легкой °

Головки заряда прежде всего навинчиваются вручную на штангу 28, а затем 30 блокируются с помощью тисков, зажимающих кромку 34 крышки. Штанга 28 в этом случае слегка деформируется и блокирует таким образом головки заряда в их гнезде. Когда эта первая серия операций осуществлена с помощью тисков, зажимающих в этот раз корпус

24 заряда, последний поворачивается по отношению к крышке 25, и канал

36 каждого заряда таким образом при40 водится в положение, параллельное оси штанги 28. В этом случае достаточно просунуть детонирующий шнур в каналы-вместилища, выпрямленные в одну линию таким образом. 45

При перемене ролей крышки 25 и дна

43 корпуса 24 заряда шашка взрывчатого вещества .устанавливается в соот-. ветствии с известным вариантом, располагается в оболочке, прикрепленной к крышке, при этом оболочка введена без значительного трения в корпус заряда, внутренний и внешний профили которого в основном идентичны (за исключением средств зажатия в оправу, которые переносятся на заднюю часть корпуса) тем, которые изображе- ны на фиг. 5 перед дном 43.

В варианте вместилища (фиг, 6 и 7), зажим крышки н :.правку в корпусе труден, так как »е требуется больше никакого враше»»H одного элемента по отношению к другому. Вместилище детонируюшега шнура н аснанном образовано металлическим зажимом 38 большой жесткас"и, который имеет гримерно форму полуцилиндра, н боковых поверхностях которого саоатветстненно вырезаны два выреза 49 в форме ласточкина хвоста, имеющие зубцы 50 и 51.

Зажим 38 приспособлен для установки с усилием с помощью инструмента, предназначенного для этой цели, на кольцевой выступ 52 малой толщины, имеющий вырез 53 (дна 43 корпуса заряда, выемка 44 капсюля-детонатора и тонкая стенка 46 напоминаются здесь в целях лучшего представления о расположении детали, на которую сделана ссылка). При таком устрайс тве после завинчивания крепежных головок зарядов в отверстия несущей штанги детонирующий шнур легко устананл»вается на место. Между двумя последовательными зарядами выполнено колено, позволяющее сокращение шнура, и шнур укреплен на выступе

52 путем установки на место с необход»мой ориентацией зажима 38, зубцы 50 и 51 которого входят в вырез

53. Большая жесткость зажимов 38 обеспечивает их должное удержание во время спуска аппарата в скважину, однако полная безопасность, обеспечиваемая формой осуществления вместилища (фиг. 3), является более удовлетворительной.

Держатель кумулятивных зарядов (фиг. 1-4) позволяет достичь особенно высокое число зарядов на метр, при этом интервал между крепежными отверстиями для зарядов может быть в два раза меньше ширины штанги, т.е. в два раза меньше габаритного диаметра корпуса зарядов.

Когда требуется соединить две несущих штанги-держателя, к соединительным секциям этих штанг крепится соединительная полоса с помощью четырех винтов (фиг. 3). Детонирующий шнур, а затем детонатор с электрическим управлением устанавливаются на место. Верхняя секция для соединения несущей штанги в этом случае крепится к головной части взрывного устройства, которое само

72?3845 жестко соединено с тросом опускания и электрического питания.

Когда устройство с кумулятивными зарядами, выполненное таким образом, перемещается к скважине с ближайшего места сборки, упругость и прочность штанги вполне достаточны для удержания веса зарядов без постоянных деформаций. Кроме того, установка в вертикальное положение значительной части устройства,, в то время как остающаяся часть остается горизонтальной, является легкой, так как профиль, принятый для несущей штанги, вызывает благоприятное распределение напряжений в штанге, которая допускает относитель но небольшой, например, 2 м, радиус кривизны (при этом заряды находятся со стороны выемки/.

Спуск в насосно-компрессорную трубу газовой скважины устройства с кумулятивными зарядами, содержащего несущую штангу, происходит без затруднений. По прибытии на желаемую глубину заряды подрываются известным способом.

Вместо применения соединительной полосы, такой как 77, возможно непосредственно укрепить первую штангу 9, имеющую соединительную секцию,.на второй 10, которая таковой не имеет.

В этом случае соединительная секция будет иметь три расточенных отверстия вместо двух,и ее конец закончится скосом,, продолжающимся до первого крепеж1о ного отверстия 2 второй штанги 10, таким образом, чтобы указанный конец был зажат зарядом, установленным в это отверстие. В этих условиях конец соединительной секции частично воспринимает взрывную волну от взрыва заряда, который зажимает ее и передает на соединенную секцию второй штанги 10, благодаря чему все три винта крепления, примененные ,77 в этом случае, достаточны для восприятия без разрыва взрывной волны от взрыва. Преимущество этого способа заключается в потере, относящейся к соединению, только части днины, 2 равной двум интервалам от крепежного отверстия до вспомогательного отверстия вместо трех, которые теряются в варианте осуществления согласно фиг. 3.

Я 34 Л 40 24

27

gg ÿ zs

Фиг. 5

SO0gsy Ю (Pyg 7

Составитель И. Карбачинская

Редактор T. Кугрышева Техред И.Верес Корректор Л. Пилипенко

Заказ 1728/62 Тираж 548 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород> ул. Проектная, 4