Заряд перфоратора

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к зарядам перфоратора для вскрытия продуктивного пласта в нефтяных и газовых скважинах. Обеспечивает увеличение глубины перфорационного канала при относительно неизменном его диаметре, исключение возможности закупоривания канала пластом. Сущность изобретения: заряд включает осесимметричные шашку взрывчатого вещества в корпусе, открытую полость в виде сферического сегмента в теле шашки, детонатор и двухслойную облицовку полости, выполненную с внутренним диаметром основания d, равным 0,8-0,85 диаметра основания D шашки. Двухслойная облицовка выполнена с прогибом по оси, равным 0,30-0,35 d. Внутренний слой облицовки, обращенный к полости, состоит из материала с меньшей удельной массой, например из алюминия, а наружный слой облицовки, обращенный к шашке взрывчатого вещества, выполнен из материала с большей удельной массой, например из меди, с толщиной, равной 0,030-0,035 d. Отношение удельных масс внутреннего и наружного слоев облицовки находится в пределах 0,15-0,23 и соответственно отношение их толщин равно 0,5-0,8. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности для перфорации скважин с помощью зарядов, размещаемых в корпусных или бескорпусных перфораторах.

Наиболее широкое применение в скважинных перфораторах имеют кумулятивные заряды, содержащие оболочку с шашкой из бризантного взрывчатого вещества, в которой со стороны основания выполнена кумулятивная выемка, чаще всего конической формы, покрытая металлической облицовкой. На противоположном от основания торце шашки устанавливается детонатор (см., напр., Н.Г.Григорян и др. Прострелочные и взрывные работы в скважинах. - М.: Недра, 1972 г., с.81-84). При детонации кумулятивного заряда со стороны детонатора под воздействием давления продуктов детонации металлическая облицовка кумулятивной выемки за счет высокого давления и скорости соударения обжимается последовательно от вершины к основанию выемки. Металл с внутренней поверхности облицовки начинает течь, формируясь в высокоскоростную тонкую кумулятивную струю в направлении оси заряда. В кумулятивную струю, которая собственно осуществляет пробитие преграды, переходит в среднем около 10-15% массы облицовки, а остальная ее часть формируется в стержень сигарообразной формы, в так называемый пест. Пест движется в хвосте струи и полезной работы не производит, но зачастую приносит вред, застревая в пробитом канале. Кумулятивные заряды при действии в скважине последовательно пробивают стальную эксплуатационную трубу толщиной около 10 мм, цементное кольцо и породу нефтяного пласта. Кумулятивные заряды в наиболее широко применяемых штатных корпусных перфораторах типа ПК-105 пробивают каналы глубиной до 245 мм с диаметром входного отверстия 8-9 мм, которое монотонно сужается и в конце канала не превышает 1 мм.

К недостаткам кумулятивного заряда перфоратора относится незначительный диаметр, особенно, по длине производимого им канала и возможность закупоривания его пестом, что снижает движение флюидов из пласта в скважину.

Известен кумулятивный заряд для перфорации скважин (см., напр., А.С.Державец и др. Исследование эффективности кумулятивных зарядов с различными типами облицовок // Прострелочно-взрывные и импульсные виды работ в скважинах. - Сб. научных трудов. Составители Г.И.Ботко, А.В.Бокарева, - М.: 1991, с.86-94), содержащий оболочку с шашкой из взрывчатого вещества, в которой со стороны основания выполнена коническая выемка, покрытая двухслойной облицовкой, а на противоположном от выемки торце установлен детонатор. При этом в конической форме двухслойной облицовке наружный слой, обращенный к шашке взрывчатого вещества, выполнен из непрочных и легкоплавких материалов, например из алюминия или цинка, а внутренний - из меди. При детонации такого заряда перфоратора внутренний слой облицовки из меди образует собственно кумулятивную струю и канал в преграде, а наружный слой из алюминия уходит на создание песта, разрушающегося после формирования кумулятивной струи. Это позволяет в значительной мере снизить закупорку образуемого канала пестом. Недостатком предлагаемого кумулятивного заряда является малый диаметр и дальнейшее значительное его уменьшение по длине канала в преграде.

Наиболее близким аналогом-прототипом является известный кумулятивный заряд, который может быть использован для перфорации скважин (см., напр., Патент РФ №2103643 С1, кл. 6 F 42 В 1/02 от 27.01.98), содержащий осесимметричные шашку взрывчатого вещества в корпусе, открытую полость в теле шашки, прилегающую к поверхности полости облицовку, выполненную из инертного материала, и детонатор на торце, противоположном облицовке. При этом облицовка полости выполнена в виде трубчатой части высотой 0,4-0,8 внутреннего диаметра облицовки и пластинчатого дна, выполненного выпуклым в виде сферического сегмента в сторону тела шашки с максимальным прогибом по оси не более 0,15 внутреннего диаметра облицовки, изменяющегося в пределах 0,6-0,7 диаметра основания шашки взрывчатого вещества. Трубчатая часть облицовки и дно выполнены из различных материалов, например трубчатая часть из циркония, а дно из алюминия. Причем трубчатая часть облицовки может выполняться с переменной толщиной, равномерно уменьшающейся в 1,1-1,3 раза к свободному торцу.

При срабатывании детонатора детонационная волна распространяется по шашке взрывчатого вещества, при этом пластинчатое дно разгоняется продуктами детонации в падающей волне, а трубчатые участки в скользящей волне. Это обеспечивает более скоростной режим движения дна и его опережающий выход из полости, до обжатия трубы, с чего начинается формирование кумулятивной струи (КС). Последняя, являясь более скоростной, чем масса дна, нагоняет пластинчатый элемент на расстоянии 0,7-1,5 диаметра основания шашки, что определяет фокусное расстояние, при котором реализуется максимальное пробивное действие. Трубчатая часть облицовки, таким образом, непосредственно формирует КС в качестве второго рабочего тела и используется с первым элементом из пластинчатого дна в пробивании преграды. Пластина дна может выполняться с небольшим прогибом по высоте центральной части, выпуклой в сторону шашки, не превышающей 0,15 внутреннего диаметра облицовки в форме сферического или конического сегмента. Предполагается, что прогиб, больший чем 0,15 внутреннего диаметра облицовки, приводит к струеобразованию из материала дна, что сопряжено с появлением более низкоскоростной массы. Преимуществом предлагаемого кумулятивного заряда-прототипа является возможность создания в стальной преграде пробоины с достаточно высоким входным диаметром не менее одного внутреннего диаметра облицовки с мало изменяющимся поперечным размером до 0,7-0,8 внутреннего диаметра облицовки по длине пробоины. Недостатком этого кумулятивного заряда является недостаточная глубина пробоины, составляющая 1,5-2,0 внутреннего диаметра облицовки по стальной преграде, в то время как существующие штатные кумулятивные заряды перфоратора выполняют по стальной преграде пробоину глубиной до 3 внутреннего диаметров облицовки. Кумулятивный заряд-прототип, кроме того, наряду с образованием кумулятивной струи, также создает пест, способный произвести закупорку образованной пробоины.

Целью изобретения является повышение глубины канала до уровня создаваемых штатными зарядами перфоратора при обеспечении диаметра по всей длине образуемого канала на уровне, создаваемого зарядом-прототипом, а также исключение возможности закупоривания канала пестом. Цель достигается тем, что в заряде перфоратора, включающем осесимметричную шашку взрывчатого вещества в корпусе с открытой полостью в форме сферического сегмента в теле шашки, облицовку, выполненную из инертного материала и прилегающую к поверхности полости, и детонатора на торце, противоположном облицовке, согласно изобретению облицовка полости выполнена с внутренним диаметром основания, равным 0,80-0,85 диаметра основания шашки, с прогибом по оси, равным 0,30-0,35 внутреннего диаметра облицовки, и двухслойной из различных материалов, причем внутренний слой облицовки, обращенный к полости, выполнен из материала с меньшей удельной массой, например из алюминия, а наружный слой, обращенный к шашке взрывчатого вещества, выполнен из материала с большей удельной массой, например из меди, с толщиной, равной 0,030-0,035 внутреннего диаметра облицовки; при этом отношение удельных масс внутреннего и наружного слоев облицовки выполнено равным 0,15-0,23 и соответственно отношение их толщин выполнено равным 0,5-0,8.

На чертеже изображен предлагаемый заряд перфоратора, содержащий осесимметричную шашку 1 взрывчатого вещества с диаметром основания D в корпусе 2. Детонатор 3 установлен на противоположном от основания торце шашки. В шашке со стороны основания выполнена полость 4 в форме сферического сегмента. Полость покрыта облицовкой с внутренним диаметром основания d, равным 0,80-0,85 D, и выполнена двухслойной из различных материалов - внутренний слой 5, обращенный к полости, выполнен из материала с меньшей удельной массой, например из алюминия, а наружный слой 6 облицовки, обращенный к шашке взрывчатого вещества, выполнен из материала с большей удельной массой, например из меди, с толщиной, равной 0,030-0,035 внутреннего диаметра облицовки. Отношение удельных масс внутреннего и наружного слоев облицовки выполнено равным 0,15-0,23 и соответственно отношение их толщин выполнено равным 0,5-0,8. Двухслойная облицовка выполнена с прогибом по оси, равным 0,30-0,35 внутреннего диаметра облицовки.

Действие заряда перфоратора в условиях скважины осуществляется следующим образом. При детонации заряда через детонатор 3 шашки 1 взрывчатого вещества распространяющаяся в сторону полости 4 выпуклая детонационная волна первоначально подходит к области вершины облицовки (на чертеже показана пунктирной линией). Благодаря этому центральные части облицовки приобретают в направлении оси полости наибольшие импульс и скорость, проходят большее расстояние, чем периферийные части облицовки, которые приобретают в направлении радиуса полости меньшие импульс и скорость, а следовательно, проходят и меньшие расстояния в сторону преграды. В результате этого центральные части облицовки обгоняют периферийные части, облицовка выворачивается в противоположную сторону направления своего движения, формируя растягивающееся по длине рабочее тело (см., напр., С.Г.Андреев и др. Физика взрыва, том 2, издание третье, переработанное под редакцией Л.П.Орленко. М.: Физматлит, 2002. - С.259-260). По аналогичному, описанному выше механизму деформирования облицовки, благодаря тому, что она выполнена двухслойной из различных материалов, одновременно создаются два самостоятельных рабочих тела, движущихся друг за другом с различной скоростью. Первое рабочее тело образуется из внутреннего слоя 5 облицовки, выполненного из материала с меньшей удельной массой, например из алюминия, и приобретает более высокую скорость. Благодаря этому этот слой сразу отрывается от наружного слоя 6 облицовки, выполненного из материала с большей удельной массой, например из меди, и формируется в самостоятельное рабочее тело. Второе рабочее тело, выполненное из наружного слоя облицовки, имеет меньшую скорость и движется с некоторым отставанием от первого рабочего тела. Первое рабочее тело, образованное из внутреннего слоя облицовки, пробивает опорный диск и резиновую прокладку в окне перфоратора, слой жидкости между перфоратором и обсадной колонной, стенку последней и слой цементного камня. Второе рабочее тело, образованное из наружного слоя облицовки, вслед за первым пробивает далее канал в горной породе. Первое рабочее тело, таким образом, не только преодолевает первоначальные преграды в скважине с образованием канала на расстоянии до 2-3 внутренних диаметров d облицовки, но и обеспечивает для формирования второго рабочего тела дополнительное пространство, создающее оптимальное фокусное расстояние, с которого реализуется его наибольшее пробивное действие.

Внутренний диаметр основания d облицовки в форме сферического сегмента выбирается в пределах 0,80-0,85 D. При d облицовки более 0,85 D, как показали эксперименты, в процессе детонации заряда происходит дробление периферийных частей облицовки с образованием зубчатой формы поверхности. Это приводит к значительному снижению скорости метания облицовки и ее пробивной способности. При значениях d=0,80-0,85 D облицовка в процессе метания сохраняет свою целостность и характеристики скорости, а при d <0,80 начинает снижаться скорость метания облицовки. Величина прогиба по оси облицовки в пределах от 0,30 до 0,35 d выбирается в связи с тем, что с увеличением величины прогиба в этих пределах происходит значительное увеличение поверхности облицовки, воспринимаемого ею общего импульса и скорости метания облицовки. При величине прогиба облицовки более 0,35 d в процессе метания наряду с выворачиванием сегментной облицовки начинает проявляться струеобразование, направленное в противоположную сторону движения облицовки, что приводит к частичной потери массы облицовки, участвующей в пробитии преграды.

Как следует из рассмотрения действия предлагаемого заряда перфоратора, выполнение его из двухслойной облицовки обеспечивает образование двух самостоятельных рабочих тел. Первое из них, состоящее из материала с меньшей удельной массой, предварительно преодолевая часть преграды, создает дополнительное пространство и тем самым одновременно образует оптимальное фокусное расстояние для формирования и наибольшего пробивного действия второго рабочего тела, выполненного из другого материала с большей удельной массой. Под удельной массой материала слоя облицовки понимается масса слоя облицовки, приходящаяся на единицу его поверхности.

В отличие от известного и действующего по механизму формирования классической кумулятивной струи заряда перфоратора с двухслойной облицовкой, в которой внутренний слой состоит из материала с большей удельной массой, а наружный слой - из материала с меньшей удельной массой, в предлагаемом заряде перфоратора, наоборот, внутренний слой облицовки выполнен из материала с меньшей удельной массой, а наружный - из материала с большей удельной массой. Другое отличие от известных кумулятивных зарядов, в пробивном действии которых участвует только около 15% материала облицовки, состоит в том, что в предлагаемом заряде перфоратора участвует практически вся масса облицовки, которая создает больший диаметр рабочего тела. Благодаря этому соответственно повышается диаметр образуемого в преграде канала.

Работоспособность и преимущества предлагаемого заряда перфоратора подтверждены результатами стендовых испытаний. Испытаниям подвергались образцы предлагаемого заряда перфоратора с конфигурацией и элементами, соответствующими чертежу. Шашка заряда из прессованного флегматизированного гексогена имела диаметр основания D, равный 30 мм. Полость шашки в форме сферического сегмента покрывалась двухслойной облицовкой с внутренним диаметром 24 мм и с прогибом по оси, равным 0,35 d. Внутренний слой облицовки выполнялся из алюминия толщиной в пределах от 0,3 до 0,7 мм, а наружный слой облицовки состоял из меди толщиной 0,8 мм. При этом отношение толщин внутреннего и наружного слоев облицовки изменялось соответственно в пределах от 0,40 до 0,90, а отношение удельных масс внутреннего и наружного слоев облицовки - в пределах от 0,11 до 0,26. Пробивная способность образцов заряда перфоратора определялась по общепринятым методикам - по преграде из стальной мишени, представляющей набор стальных плит, а также из комбинированной мишени, которая состоит из 10 мм стальной плиты, имитирующей обсадную колонну, и бетонного блока с прочностью 25 МПа, имитирующего горную породу. Расстояние от торца заряда до преграды (фокусное расстояние) равнялось 60 мм. В опытах определялась глубина образуемого канала, а также его средний диаметр, как среднее значение из 4-5 измерений, выполненных на отдельных участках по всей глубине канала.

Таблица
Наименование показателя	Величина показателя
1	2	3	4	5
Отношение толщин внутреннего и наружного слоев облицовки	0,40	0,50	0,60	0,80	0,90
Отношение удельных масс внутреннего и наружного слоев облицовки	0,11	0,15	0,19	0,23	0,26
Относительный средний диаметр канала в d:
- в стальной мишени	0,66	0,71	0,75	0,66	0,62
- в комбинированной мишени	1,45	1,67	1,88	1,46	1,45
Глубина канала:
- в стальной мишени
в мм	65	75	85	70	60
в d	2,7	3,1	3,5	2,9	2,5
- в комбинированной мишени
в мм	180	220	250	200	170
в d	7,5	9,2	10,4	8,3	7,1

Результаты испытаний представлены в таблице, из которой следует, что в испытанных пределах изменения характеристик двухслойной облицовки заряда относительный средний диаметр образуемого канала по стальной мишени достигает до 0,75 d, что находится на уровне этого значения для заряда-прототипа и значительно выше, чем для штатного заряда перфоратора.

При этом, как показали измерения, диаметр канала мало изменяется по всей его глубине, отличаясь от средней величины не более, чем на 15%. В комбинированной мишени диаметр канала составляет 1,45-1,88 d, что позволяет существенно увеличить коллекторские характеристики призабойной зоны пласта. Одновременно с этим глубина канала в стальной мишени составляет 2,5-3,5 d, что в 1,65-1,75 раза больше, чем для заряда-прототипа.

Глубина канала, создаваемого штатным кумулятивным зарядом ЗПК-105 перфоратора ПК-105, составляющая 190-245 мм по комбинированной мишени и 70-85 мм по стальной мишени (см., напр., Прострелочно-взрывная аппаратура. Справочник под ред. Л.Я.Фридляндера, 2-е изд., М.: "Недра", 1990, с.37, 38), выполняется при использовании предлагаемого заряда с двухслойной облицовкой при отношениях удельных масс и толщин внутреннего и наружного слоев, равных соответственно 0,15-0,23 и 0,5-0,8.

В связи с тем, что в пробитии преграды при действии предлагаемого заряда участвует и затрачивается почти вся масса облицовки, в созданном канале пест, в отличие от заряда-прототипа, практически не образуется. Это способствует лучшей гидравлической связи пласта со скважиной.

В результате применения предлагаемого заряда перфоратора повышаются коллекторские характеристики пласта и производительность скважины за счет увеличения глубины образуемого канала в 1,65-1,75 раза и устранения образования закупоривающего песта по сравнению с прототипом, а также обеспечению одновременно с ними повышенного диаметра по всей длине канала.

Заряд перфоратора, содержащий осесимметричную шашку взрывчатого вещества в корпусе с открытой полостью в форме сферического сегмента в теле шашки, прилегающую к поверхности полости облицовку, выполненную из инертного материала, и детонатор на торце, противоположном облицовке, отличающийся тем, что облицовка полости выполнена с внутренним диаметром основания, равным 0,80-0,85 диаметра основания шашки, с прогибом по оси, равным 0,30-0,35 внутреннего диаметра облицовки, и двухслойной из различных материалов, причем внутренний слой облицовки, обращенный к полости, выполнен из материала с меньшей удельной массой, например из алюминия, а наружный слой облицовки, обращенный к шашке взрывчатого вещества, выполнен из материала с большей удельной массой, например из меди с толщиной, равной 0,030-0,035 внутреннего диаметра облицовки, при этом отношение удельных масс внутреннего и наружного слоев облицовки выполнено равным 0,15-0,23 и соответственно отношение их толщин выполнено равным 0,5-0,8.