RU2066739C1

RU2066739C1 - Jet perforator and method for its manufacture

Info

Publication number: RU2066739C1
Application number: RU93005943A
Authority: RU
Inventors: П.В. Вольницкий; В.М. Тебякин
Original assignee: Вольницкий Петр Васильевич
Priority date: 1993-02-01
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 1996-09-20

Abstract

FIELD: jet perforators applicable in opening of producing formations in dried wells. SUBSTANCE: jet perforator includes thin-walled tubular case with two end plugs. Tubular case accommodate jet charges in thick-walled closed axisymmetric shells which have thin-walled sections. Connected to jet charges is detonating cord. Cylindrical support is arranged inside the tubular case and made of porous material with dynamic rigidity which is multiply less than that of material of axisymmetric shells and compression strength not less than hydrodynamic pressure in well. Besides, internal cylindrical support is made of quartz sand. Thinned section of axisymmetric shell is made in form of membrane. The method for manufacture of jet perforator includes placing of jet charges with detonating cord into case with lower end plug, and internal support is formed. For this purpose, porous material (sand) is poured into the case held in vertical position and compacted by vibration. Then, upper end plug is installed. EFFECT: reduced metal content and cut down manufacture costs. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к прострелочно-взрывной аппаратуре, применяемой в горном деле для вскрытия продуктивных пластов в обсаженных скважинах путем пробивания сетки каналов перфорации в обсадных трубах, затрубном цементном кольце и прилегающей горной породе пласта, а также для простреливания сквозных каналов в трубах с целью оперативного восстановления потерянной циркуляции промывочной жидкости при бурении и эксплуатации скважин. The invention relates to perforating and explosive equipment used in mining for opening productive formations in cased holes by punching a grid of perforation channels in casing pipes, an annular cement ring and adjacent formation rock, as well as for penetrating through channels in pipes for the purpose of prompt recovery of lost circulation of flushing fluid during drilling and well operation.

Известны применяемые для этих целей при высоких гидростатических давлениях кумулятивные перфораторы опорной конструкции, включающие деформируемый под действием внешнего гидростатического давления тонкостенный трубчатый кожух и прочную стальную опору, выполненную в виде толстостенной трубы со сквозными поперечными отверстиями, в которых размещены кумулятивные заряды. Cumulative perforators of the supporting structure used for these purposes at high hydrostatic pressures are known, including a thin-walled tubular casing deformable under external hydrostatic pressure and a strong steel support made in the form of a thick-walled pipe with through transverse openings in which cumulative charges are placed.

Недостатком известного устройства является недостаточная баростойкость (100-120 МПа) из-за того, что сплошность наружной поверхности опоры нарушена наличием упомянутых отверстий: под действием достаточно высокого гидростатического давления кожух получает пластический прогиб напротив сквозных отверстий опоры, что приводит к разрушению кумулятивных зарядов. Кроме того, эти перфораторы весьма металлоемки и дороги, так как для их изготовления необходимы дефицитные высокопрочные стальные трубы повышенной точности. A disadvantage of the known device is insufficient bar resistance (100-120 MPa) due to the fact that the continuity of the outer surface of the support is violated by the presence of the mentioned holes: under the influence of a sufficiently high hydrostatic pressure, the casing receives plastic deflection opposite the through holes of the support, which leads to the destruction of cumulative charges. In addition, these punchers are very metal-consuming and expensive, since their manufacture requires scarce high-strength steel pipes of high accuracy.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому решению является кумулятивный перфоратор, включающий кумулятивные заряды в толстостенных замкнутых осесимметричных оболочках, выполненных с утонченными участками, и детонирующий шнур, размещенный на контакте с утонченными участками. The closest technical solution to the claimed solution is a cumulative perforator, including cumulative charges in thick-walled closed axisymmetric shells made with refined sections, and a detonating cord placed on contact with the refined sections.

Недостатком этого устройства является его недостаточно высокая пробивная способность и большая возможность разрушения элементов конструкции скважины с применением устройства. The disadvantage of this device is its lack of penetration and a high possibility of destruction of the structural elements of the well using the device.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение пробивной способности перфоратора и уменьшение вредного воздействия взрыва на элементы крепления ствола скважины без снижения баростойкости перфоратора. The technical result of the present invention is to increase the breakdown ability of a perforator and to reduce the detrimental effect of an explosion on the elements of a wellbore fastening without reducing the bar resistance of a perforator.

Кроме того, задачей изобретения является снижение металлоемкости конструкции, а также в уменьшении трудоемкости и стоимости изготовления перфоратора. In addition, the objective of the invention is to reduce the metal structure, as well as to reduce the complexity and cost of manufacturing a perforator.

Необходимый технический результат достигается тем, что кумулятивный перфоратор, включающий кумулятивные заряды в толстостенных замкнутых осесимметрических оболочках, выполненных с уточненными участками и детонирующий шнур, снабжен тонкостенным трубчатым кожухом с двумя концевыми заглушками и внутренней цилиндрической опорой, взаимодействующей с трубчатым кожухом и осесимметричными оболочками, при этом внутренняя цилиндрическая опора выполнена из пористого материала с динамической жесткостью, кратно меньшей динамической жесткости материала осесимметричных оболочек и прочностью на всесторонне объемное сжатие не менее гидростатического давления в скважине. The required technical result is achieved in that the cumulative perforator, including cumulative charges in thick-walled closed axisymmetric shells made with refined sections and a detonating cord, is equipped with a thin-walled tubular casing with two end caps and an inner cylindrical support interacting with the tubular casing and axisymmetric the inner cylindrical support is made of a porous material with a dynamic stiffness that is a multiple of a smaller dynamic stiffness This is the material of axisymmetric shells and the strength of all-round volumetric compression of at least hydrostatic pressure in the well.

Кроме того:
внутренняя цилиндрическая опора выполнена из способной к формованию композиции на основе кварцевого песка из связующей добавкой и содержит предельные разъемы в плоскостях размещения детонирующего шнура и осей осесимметричных оболочек;
внутренняя цилиндрическая опора выполнена сплошной из уплотненного кварцевого песка;
утонченный участок осесимметричной оболочки выполнен в виде отдельной примыкающей к ней мембраны.Moreover:
the inner cylindrical support is made of a composition capable of forming a silica sand-based composition from a binder and contains limit connectors in the planes of the detonating cord and the axis of the axisymmetric shells;
the inner cylindrical support is made of solid compacted quartz sand;
the refined section of the axisymmetric shell is made in the form of a separate adjacent membrane.

Необходимый технический результат в части способа достигается тем, что по способу изготовления кумулятивного перфоратора, включающем установку зарядов и детонирующего шнура, устанавливают в тонкостенный трубчатый кожух с нижней концевой заглушкой, затем формируют внутреннюю цилиндрическую опору из кварцевого песка, для чего в полость тонкостенного трубчатого кожуха, находящегося в вертикальном положении, попеременно засыпают кварцевый песок и уплотняют его посредством вибраций до уровня второй концевой заглушки, после чего с упором в кварцевый песок устанавливают вторую концевую заглушку. The necessary technical result in terms of the method is achieved by the fact that according to the method of manufacturing a cumulative perforator, including the installation of charges and a detonating cord, they are installed in a thin-walled tubular casing with a lower end cap, then an inner cylindrical support is made of quartz sand, for which a cavity of a thin-walled tubular casing, being in a vertical position, quartz sand is alternately poured and compacted by vibration to the level of the second end cap, after which it stops in the silica sand set the second end cap.

Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1 и фиг. 2) и схемой (фиг. 3). The invention is illustrated by drawings (Fig. 1 and Fig. 2) and a diagram (Fig. 3).

На фиг. 1 изображен первый вариант исполнения устройства. Тонкостенный алюминиевый трубчатый кожух 1 загерметизирован по концам двумя концевыми заглушками головкой 2 и наконечником 3 с уплотнительными резиновыми кольцами 4. Вся внутренняя полость кожуха заполнена составной опорой, представляющей собой гирлянду соприкасающихся торцами цилиндрических секций. Каждая секция состоит из двух полуцилиндров 5, снабженных встречными выемками 6 (см. изометрическую проекцию полуцилиндра), в которых размещена стальная замкнутая осесимметричная оболочка (корпус 7 с крышкой 8) и средство передачи детонации в виде детонирующего удлиненного заряда 9 (далее ДУЗ). Последний может быть выполнен сплошным на всю длину перфоратора или в виде цепочки коротких (на длину одной секции) отрезков, стыкуемых при сборке гирлянды секций, как это показано на фиг. 1. Такая конструкция позволяет осуществить предварительную сборку секций с зарядами и отрезками ДУЗ в виде отдельных модулей, что способствует контролю качества перфоратора, а также позволяет легко осуществить любую заданную фазировку ориентаций зарядов (на фиг. 1 изображена фазировка на 180 градусов как одна из возможных). In FIG. 1 shows a first embodiment of a device. A thin-walled aluminum tubular casing 1 is sealed at the ends with two end caps with a head 2 and a tip 3 with rubber sealing rings 4. The entire internal cavity of the casing is filled with a composite support, which is a garland of cylindrical sections adjoining the ends. Each section consists of two half-cylinders 5, equipped with oncoming recesses 6 (see isometric projection of the half-cylinder), in which a steel closed axisymmetric shell (housing 7 with a cover 8) and a detonation transmission means in the form of an elongating detonating charge 9 (hereinafter referred to as DPS) are placed. The latter can be made continuous for the entire length of the puncher or in the form of a chain of short (for the length of one section) segments joined when assembling a garland of sections, as shown in FIG. 1. This design allows the preliminary assembly of sections with charges and sections of remote sensing in the form of separate modules, which helps to control the quality of the puncher, and also makes it easy to carry out any given phasing of charge orientations (in Fig. 1, phasing by 180 degrees is shown as one of the possible) .

Кумулятивные заряды 10 с облицовками 11 запрессованы в корпусе 7 и, вместе с необходимыми для формирования кумулятивных струй свободными зонами 12, размещены в полостях, охватываемых упомянутыми замкнутыми оболочками. Оболочка (корпус 7) имеет участок с утонченной перемычкой 13 напротив ДУЗ 9; по другую сторону перемычки находится промежуточный детонатор 14, служащий для возбуждения кумулятивного заряда 10. Cumulative charges 10 with facings 11 are pressed into the housing 7 and, together with the free zones 12 necessary for the formation of cumulative jets, are placed in the cavities covered by the said closed shells. The shell (housing 7) has a section with a refined jumper 13 opposite the DUZ 9; on the other side of the jumper is an intermediate detonator 14, which serves to excite the cumulative charge 10.

В качестве материала для полуцилиндров 5 использован композит на основе кварцевого песка с небольшой (несколько процентов) добавкой связующего компонента, например, в виде раствора силиката натрия ("жидкого стекла"), органического полимера с отвердителем и др. Полуцилиндры могут быть изготовлены по принятой в литейном деле технологии формовки опок с последующим отверждением путем сушки, обжига, полимеризации и т.п. Пористость изготовленных таким методом частей опоры может составлять 15-20 динамическая жесткость 10-15 от динамической жесткости материала оболочек (сталь), а прочность на всестороннее объемное сжатие 180-200 МПа. A composite based on quartz sand with a small (several percent) addition of a binder component, for example, in the form of a solution of sodium silicate ("water glass"), an organic polymer with a hardener, etc., is used as a material for the half cylinders 5. The half cylinders can be made according to foundry technology of molding flasks with subsequent curing by drying, firing, polymerization, etc. The porosity of the support parts made by this method can be 15–20, dynamic stiffness 10–15 of the dynamic stiffness of the material of the shells (steel), and the strength for comprehensive volumetric compression of 180–200 MPa.

Перфоратор снабжен взрывателем 15. Спуск перфоратора в скважину может производиться на кабеле 16, присоединяемом к головке 2 перфоратора с помощью кабельного наконечника 17. The perforator is equipped with a fuse 15. The descent of the perforator into the well can be carried out on a cable 16 connected to the head 2 of the perforator using a cable lug 17.

На фиг. 2 изображен второй вариант исполнения устройства. Здесь, в отличие от первого варианта исполнения (фиг. 1), в кожухе 1 размещена сплошная (несоставная) опора 18, выполненная из уплотненного кварцевого песка. В опору встроен каркас 19, в котором закреплены оболочки с зарядами и ДУЗ. В остальном второй вариант исполнения не отличается от первого, а номера позиций те же, что у соответствующих деталей на фиг. 1. In FIG. 2 shows a second embodiment of the device. Here, unlike the first embodiment (Fig. 1), in the casing 1 there is a continuous (non-integral) support 18 made of compacted quartz sand. A frame 19 is built into the support, in which shells with charges and DPS are fixed. Otherwise, the second embodiment does not differ from the first, and the position numbers are the same as those of the corresponding parts in FIG. 1.

Кроме того, на фиг. 2 показана (см. увеличенный фрагмент) возможность выполнения утонченной перемычки оболочки (корпус 7) в виде отдельной состыкованной с ней мембраны 13 однородной толщины. Мембрана может быть изготовлена, например, штамповкой из пружинной стальной ленты. In addition, in FIG. 2 shows (see enlarged fragment) the possibility of making a sophisticated jumper of the shell (housing 7) in the form of a separate membrane 13 joined with it of uniform thickness. The membrane can be made, for example, by stamping from spring steel tape.

Такое исполнение облегчает и удешевляет изготовление оболочки с необходимыми жесткими допусками по толщине перемычки, которые обусловлены противоречивыми требованиями к прочности оболочки, с одной стороны, и к надежности передачи детонации от ДУЗ 9 к промежуточному детонатору 14 через перемычку, с другой стороны. This design makes it easier and cheaper to manufacture the shell with the necessary tight tolerances for the thickness of the jumper, which are due to conflicting requirements for the strength of the shell, on the one hand, and the reliability of the transmission of detonation from DUZ 9 to the intermediate detonator 14 through the jumper, on the other hand.

На фиг. 3 дана схема, иллюстрирующая способ изготовления кумулятивного перфоратора с применением вибрационной установки. Номера позиций изображенных на схеме деталей перфоратора те же, что у соответствующих деталей на фиг. 2. In FIG. 3 is a diagram illustrating a method for manufacturing a cumulative rotary hammer using a vibrating installation. The position numbers of the perforator parts shown in the diagram are the same as those of the corresponding parts in FIG. 2.

После установки в кожух 1 первой заглушки (головка 2) и каркаса 19, в котором закреплены оболочки (корпус 7 и крышка 8) с зарядами 10 и средство передачи детонации (ДУЗ) 9, перфоратор жестко закрепляют в вертикальном положении с помощью зажима 20 на колеблющейся платформе 21 вибрационной машины и формируют песчаную опору 18. Для этой цели в свободную полость кожуха 1 через его незаглушенный конец попеременно засыпают песок (например, с помощью изображенного на схеме питателя 22) и уплотняют его посредством вибрации. Вибрация, переводя песок в псевдожидкое состояние, способствует достижению достаточно равномерного заполнения полости кожуха 1 в промежутках между оболочками с зарядами 10. Эту процедуру выполняют до тех пор, пока уровень песка в кожухе 1 не достигнет высоты, обеспечивающей упирание в песок второй заглушки (см. наконечник 3 на фиг. 2), после чего устанавливают последнюю. After installation in the casing 1 of the first plug (head 2) and the frame 19, in which the shells (body 7 and cover 8) are mounted with charges 10 and the detonation transmission means (DPS) 9, the perforator is rigidly fixed in a vertical position with a clamp 20 on an oscillating the platform 21 of the vibrating machine and form a sand support 18. For this purpose, sand is alternately poured into the free cavity of the casing 1 through its non-muffled end (for example, using the feeder 22 shown in the diagram) and compacted by vibration. Vibration, translating the sand into a pseudo-liquid state, helps to achieve a fairly uniform filling of the cavity of the casing 1 in the spaces between the shells with charges 10. This procedure is performed until the level of sand in the casing 1 reaches a height ensuring abutment of the second plug in the sand (see tip 3 in Fig. 2), after which the latter is installed.

Перед использованием перфоратора по назначению полезно произвести предварительную его опрессовку при максимальном рабочем гидростатическом давлении с целью стабилизации длины перфоратора. В противном случае длина перфоратора после спуска в скважину может заметно уменьшиться за счет повышения плотности упаковки зерен песчаной опоры (как показали эксперименты, такое сокращение длины может составить около 5% при давлении 200 МПа). Before using the punch for its intended purpose, it is useful to pre-test it at the maximum working hydrostatic pressure in order to stabilize the length of the punch. Otherwise, the length of the perforator after descent into the well can decrease markedly due to an increase in the packing density of the grains of the sand support (experiments have shown that such a reduction in length can be about 5% at a pressure of 200 MPa).

По мере спуска перфоратора в скважину тонкостенный кожух 1, легко деформируясь под действием нарастающего гидростатического давления, будет передавать практически всю гидростатическую нагрузку полуцилиндрам 5 составной опоры (см. фиг. 1) или сплошной песчаной опоре 18 (см. фиг. 2). Поскольку стенки полостей опоры упираются в замкнутые прочные стальные оболочки (корпус 7 с перемычкой или с отдельной мембраной 13 и крышка 8), то материал опоры будет претерпевать только всестороннее объемное сжатие (без касательных напряжений), причем максимальное напряжение этого сжатия по величине будет несколько меньше, чем максимальное гидростатическое давление в скважине. На противостояние напряжению именно такого характера и рассчитан материал опоры (с сохранением целостности его зернисто-пористой структуры). As the perforator is lowered into the well, the thin-walled casing 1, easily deforming under the influence of increasing hydrostatic pressure, will transfer almost the entire hydrostatic load to the semi-cylinders 5 of the composite support (see Fig. 1) or a continuous sand support 18 (see Fig. 2). Since the walls of the cavities of the abutment abut against closed strong steel shells (the housing 7 with a jumper or with a separate membrane 13 and the cover 8), the material of the abutment will undergo only comprehensive volumetric compression (without shear stresses), and the maximum stress of this compression will be slightly less in magnitude than the maximum hydrostatic pressure in the well. The material of support is designed to withstand stress of precisely this nature (while maintaining the integrity of its granular-porous structure).

Замкнутые прочные стальные оболочки, сопротивляясь давлению со стороны пористой опоры, защищают от разрушения заряды 10 с облицовками 11 и промежуточные детонаторы 14, а также ограничивают необходимые для формирования кумулятивных струй свободные зоны 12. Closed strong steel shells, resisting pressure from the side of the porous support, protect charges 10 with linings 11 and intermediate detonators 14 from destruction, and also limit the free zones 12 necessary for the formation of cumulative jets.

После спуска перфоратора в интервал перфорации с помощью взрывателя 15 подрывается ДУЗ 9, которые передает детонацию кумулятивным зарядам 10 через утонченную перемычку 13 корпуса 7 (или через отдельную мембрану 13) при посредстве промежуточного детонатора 14. При взрыве заряда происходит схлопывание облицовки 11 в свободной полости 12, сопровождающееся образованием высокоскоростной кумулятивной струи. Благоприятное сочетание динамических жесткостей материалов оболочки (корпус 7) и опоры способствуют (см. выше) улучшению симметрии процесса схлопывания облицовки 11 и обусловленного им процесса формирования кумулятивной струи, предотвращая искажения, связанные с отсутствием симметрии свободной поверхности кожуха 1 относительно оси заряда. Кумулятивные струи, пробив крышку 8 и тонкостенный кожух 1, образуют в стенке скважины сетку каналов перфорации. After the perforator is lowered into the perforation interval using a fuse 15, the DLD 9 is blown up, which transfers the detonation to the cumulative charges 10 through the refined jumper 13 of the housing 7 (or through a separate membrane 13) by means of an intermediate detonator 14. When the charge explodes, the lining 11 collapses in the free cavity 12 accompanied by the formation of a high-speed cumulative jet. A favorable combination of dynamic stiffnesses of the shell materials (casing 7) and supports contribute (see above) to improving the symmetry of the process of collapse of the cladding 11 and the resulting formation of a cumulative jet, preventing distortions associated with the lack of symmetry of the free surface of the casing 1 relative to the charge axis. Cumulative jets, breaking through the cover 8 and thin-walled casing 1, form a grid of perforation channels in the wall of the well.

Образующиеся при взрыве зарядов ударные волны эффективно гасятся при движении в пористом материале опоры, снижая вредное воздействие взрыва на элементы крепления ствола скважины-обсадную колонну и цементное кольцо. The shock waves generated by the explosion of charges are effectively suppressed when moving in the porous material of the support, reducing the detrimental effect of the explosion on the fastening elements of the wellbore-casing and cement ring.

Claims

1. Cumulative punch, including cumulative charges in thick-walled closed axisymmetric shells made with refined sections, and a detonating cord placed in contact with the refined sections, characterized in that it is equipped with a thin-walled tubular casing with two end caps and an internal cylindrical support interacting with a tubular casing and axisymmetric shells, while the inner cylindrical support is made of a porous material with a dynamic stiffness that is a multiple of a smaller diameter the mechanical rigidity of the material of axisymmetric shells, and the strength of the comprehensive volumetric compression of at least hydrostatic pressure in the well.

2. The cumulative perforator according to claim 1, characterized in that a porous material based on quartz sand with a binder is used as a porous material, while longitudinal connectors are placed in the quartz sand in the planes of the detonating cord and axisymmetric shell axes.

3. The cumulative punch according to claim 1, characterized in that compacted quartz sand is used as the porous material.

4. The cumulative perforator according to claim 1, characterized in that the thinned section of the axisymmetric shell is made in the form of a separate adjacent membrane.

5. A method of manufacturing a cumulative perforator, including the installation of charges and a detonating cord, characterized in that the latter is installed in a thin-walled tubular casing with a lower end cap, then an inner cylindrical support is made of quartz sand, for which a cavity of a thin-walled tubular casing located in a vertical position alternately pour quartz sand and compact it by vibration to the level of the second end cap, after which, with emphasis in the quartz sand, the second end cap.