Кумулятивный перфоратор

Изобретение относится к технике прострелочно-взрывных работ в скважинах и может быть использовано для вторичного вскрытия прискважинной зоны пласта. Кумулятивный перфоратор содержит корпус, кумулятивные заряды и средства взрывания. Корпус перфоратора имеет кольцевые канавки, расположенные между зарядами, на расстояниях, кратных расстояниям между зарядами и меньших критической длины корпуса. Кольцевые канавки имеют прямоугольную или V-образную форму, при этом дно канавок скруглено. Корпус перфоратора имеет спаренные кольцевые канавки. Техническим результатом является предотвращение потери устойчивости корпуса перфоратора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

 

Предлагается корпусный кумулятивный перфоратор однократного использования для прострелочно-взрывных работ в скважинах вторичного вскрытия прискважинной зоны пласта.

Известны кумулятивные одноразовые перфораторы, корпус которых выполнен из насосно-компрессорных труб, в которых размещены кумулятивные заряды и средства взрывания: см. vnipivzryv.ru, https://docplayer.ru/38611083-Perforacionnye-sisterny-hsdr-katalog-produkcii.html.

Эти перфораторы могут иметь гладкий корпус либо корпус с цилиндрическими глухими выборками, расположенными напротив кумулятивных зарядов.

Недостатком этих перфораторов является опасность потери устойчивости корпуса при рабочих давлениях, так как длина корпуса превосходит критическую длину оболочки, работающей при совместном действии наружного давления и осевой силы, см. Нормы расчета на прочность… ПНАЭ Г-7-002-86. Опасность потери устойчивости перфоратора возрастает при использовании корпусов с цилиндрическими выборками при попарном расположением зарядов (перфораторы «Спарка») и расположении кумулятивных зарядов в одной плоскости.

Известны также кумулятивные одноразовые перфораторы, корпус которых выполнен из труб с кольцевыми канавками прямоугольной формы, расположенными напротив кумулятивных зарядов, см. патент США US 2010/300750 А1.

Перфоратор с кольцевыми канавками может рассматриваться как тонкостенная оболочка с ребрами жесткости. Потеря устойчивости корпуса перфоратора возможна лишь в кольцевых канавках при эквивалентных напряжениях выше предел текучести материала.

Недостатком этих перфораторов является то, что ширина канавки определяет уровень эквивалентных напряжений в этой зоне и допустимое рабочее давление при проведении прострелочно-взрывных работ. В тоже время, она ограничивает возможность использования зарядов, у которых диаметр входного отверстия кумулятивной струи превосходит ширину канавки.

Одноразовый перфоратор с кольцевыми канавками, патент US 2010/300750 А1, наиболее близок к заявляемой конструкции, отличающейся тем, что, с целью повышения допускаемого рабочего давления при проведении прострелочно-взрывных работ, корпус перфоратора имеет узкие кольцевые канавки, расположенными между зарядами, на расстояниях кратных расстояниям между зарядами. При этом расстояние между канавками - меньше критической длины корпуса.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2 и табл. 1, 2.

В качестве примера реализации конструктивного исполнения перфоратора с кольцевыми канавками рассмотрен кумулятивный перфоратор ∅89×9,35, расстояния между кумулятивными зарядами - 50 мм.

На фиг. 1 представлен корпус перфоратора с кольцевыми канавками, расположенными между кумулятивными зарядами.

На фиг. 2 и в табл. 1 и 2 приведены данные прочностного расчета перфоратора ∅89×9,35 и уровни допускаемых рабочих давлений при проведении прострелочно-взрывных работ.

В табл. 1 представлены данные расчета на устойчивость перфоратора ∅89×9,35.

В табл. 2 приведены данные прочностного расчета перфоратора ∅89×9,35.

Корпус перфоратора, фиг. 1, имеет кольцевые канавки, расположенные между зарядами, на расстояниях, кратных расстояниям между зарядами. Форма канавок может быть прямоугольной или V-образной (с меньшим коэффициентом концентрации напряжений). Для снижения коэффициента концентрации напряжений дно канавок скруглено. Возможен вариант использования спаренных канавок для уменьшения коэффициента концентрации напряжений, что позволяет снизить уровень эквивалентных напряжений σ_экв на наружной поверхности корпуса перфоратора. Рекомендуемая ширина прямоугольных и V-образных канавок (по дну канавки) b≤h, глубина h≤0,5⋅S, где S - толщина стенки корпуса перфоратора. Ширина и глубина спаренных канавок лежат в пределах, указанных для прямоугольных и V-образных канавок.

В зонах расположения кумулятивных зарядов корпус может быть гладким или с цилиндрическими глухими выборками, см. фиг. 1.

На фиг. 2 представлены данные расчета напряженно-деформированного состояния корпуса перфоратора ∅89×9,35 и расчета на устойчивость, см. табл. 1 и 2. Приведены уровни допускаемых рабочих давлений.

Как видно из фиг. 2, допускаемое рабочее давление для перфоратора с кольцевыми канавкам зависит от уровня эквивалентных напряжений на внутренней поверхности корпуса в зоне канавки (зависит от глубины канавки) и группы прочности материала, см. ГОСТ Р 55779-2013. Допускаемое рабочее давление [р] для перфоратора ∅89×9,35 при использовании материалов групп М и Р и глубине канавки, h=0,5⋅S, равно: 150 и 184 МПа, соответственно. Допускаемое рабочее давление соответствует минимальным значениям предела текучести материала. Как видно из графиков, фиг. 2, этот подход консервативен. При селективном подборе корпусов перфораторов по пределу текучести материала, см. ГОСТ Р 55779-2013, максимальное рабочее давление может быть существенно выше допускаемого, р_max>[р]_м ([р]р), см. фиг. 2.

В табл. 1 представлены данные упругого расчета на устойчивость перфоратора ∅89×9,35 в соответствии с рекомендациями, см. Нормы расчета на прочность… ПНАЭ Г-7-002-86.

Как видно из таблицы, для перфоратора ∅89×9,35 критическая длина корпуса без кольцевых канавок составляет, Lkr=279 мм. Длина корпуса перфоратора - 1000 мм. Корпус теряет устойчивость при давлении, [р]_гл=110 МПа, см. таб. 1. При этом эквивалентные напряжения на внутренней поверхности гладкого корпуса, σ_экв=507 МПа, что существенно ниже предела текучести материала, см. фиг. 2.

Наличие кольцевых канавок с шагом L=200 и 250 мм приводит к существенному повышению предельного рабочего давления до 300 и 250 МПа, соответственно. В этих условиях осевые напряжения не оказывают существенного влияния на устойчивость корпуса перфоратора, см. табл. 1. Потеря устойчивости корпуса возможна лишь в зонах кольцевых канавок, которая наступает при эквивалентных напряжениях, превышающих предел текучести материала, σ_экв>σ_0,2. Допускаемое рабочее давление для перфоратора с кольцевыми канавками зависит от механических свойств материала. Оно существенно выше допускаемого рабочего давления, при котором перфоратор с гладким корпусом теряет устойчивость, [р]_м ([р]_р)>[р]_гл>см. фиг. 2.

В табл. 2 приведен расчет напряженно-деформированного состояния материала в гладкой части корпуса и зоне кольцевых канавок для перфоратора ∅89×9,35. Расчет выполнен с учетом наличия кольцевых канавок, расположенных между зарядами, на расстояниях кратных расстояниям между зарядами, меньших меньше критической длины корпуса, L_kr. Глубина канавок h=0.5⋅S (h=4,7 мм), ширина (по дну канавки) b=1÷3 мм.

Эквивалентные напряжения σ_экв на внутренней поверхности перфоратора в зонах кольцевых канавок не зависят от вида узких канавок (прямоугольные, V-образные, спаренные), так как при ширине канавки b=1÷3 мм эти напряжения для всех видов кольцевых канавок находятся на одном уровне, см. табл. 2.

Расчет на устойчивость и прочностной расчет перфоратора позволяют сделать вывод, что использование узких кольцевых канавок расположенных между зарядами, на расстояниях кратных расстояниям между зарядами, предотвращает потерю устойчивости корпуса перфоратора при рабочем давлении р≥[р]_гл.

1. Кумулятивный перфоратор, содержащий корпус, кумулятивные заряды и средства взрывания, отличающийся тем, что корпус перфоратора имеет кольцевые канавки, расположенные между зарядами, на расстояниях, кратных расстояниям между зарядами и меньших критической длины корпуса.

2. Кумулятивный перфоратор по п. 1, отличающийся тем, что кольцевые канавки имеют прямоугольную или V-образную форму, при этом дно канавок скруглено.

3. Кумулятивный перфоратор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что корпус перфоратора имеет спаренные кольцевые канавки.