CH657894A5 - Zusatz fuer die hohlladung eines perforators. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Zusatz für die Hohlladung eines Perforators bei Futterrohren von Erdöl- und Erdgasbohrungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz aus einer wismuthaltigen Legierung und/oder aus einer wismuthaltigen Metallmischung und/ oder aus elementarem Wismut besteht.

2. Zusatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wismuthaltige Legierung eine eutektische Zusammensetzung aufweist.

Der Gegenstand der Erfindung ist ein wirkungssteigernder Zusatz für die Hohlladung eines Perforators bei Futterrohren von Erdöl- und Erdgasbohrungen.

Bei Bohrungen von kleinerer Tiefe geschieht die Aufschliessung der für die Wasserförderung einzustellenden Schichten auf dem Wege des Einbaus der auf der Oberfläche fertiggestellten Filteranlage und auf dem Wege der Herstellung des aus Kies bestimmter Korngrösse herausgebildeten Gerüstes. Bei Bohrungen von grösserer Tiefe wie z.B. die Erdöl-Erdgasbohrungen, gibt es im allgemeinen für den Einbau einer Filteranlage keine Möglichkeit. In diesen Fällen geschieht die Aufschliessung der für die Förderung einzustellenden und zu untersuchenden Schicht mit dem Perforieren des zementierten Rohres.

Die Aufgabe der Perforation ist die Herstellung der hydraulischen Verbindung zwischen der durch das Bohren erschlossenen Schichten und dem Raum innerhalb des Rohres.

Zum Perforieren der Rohre von Erdöl- und Erdgasbohrungen verwendet man extensiv die Hohlladungen. Die Hohlladung ist die am häufigsten verwendete Art der Sprengladungen mit gesteuerter Wirkung, bei der die die Perforation sichernde Durchschlagskraft dadurch erzeugt wird, dass sich die Energie der Detonation in Achsenrichtüng des drehsymmetrischen, i.a. kegelförmigen Hohlraumes konzentriert. Der Wirkungsgrad der Energieübergabe wird auf das Mehrfache steigen, wenn der in der Hohlladung ausgebildete Hohlraum mit Metall ausgekleidet wird. Die Hohlladungen werden im allgemeinen an ihrem dem Hohlraum entgegengesetzten Ende in ihrer Drehachse initiiert, das heisst sie werden auf entsprechende Weise zum Sprengen gebracht; so entsteht die Wellenfront der Detonation senkrecht zur Achse, und an der Auskleidung angelangt, wird sie sie in Richtung des Hohlrauminneren stark beschleunigen.

Beim Zusammentreffen der zusammengepressten Auskleidung entlang der Achse bildet sich ein Druck von mehreren zehntausend MPa heraus, der einen Teil der Auskleidung eventuell mit einer grösseren Geschwindigkeit als die Detonationsgeschwindigkeit in Achsenrichtung herauspresst. Die für die mathematische Beschreibung dieser Erscheinung ausgearbeitete hydrodynamische Theorie behandelt das Material der Auskleidung wegen des hohen Druckes als eine ideale Flüssigkeit.

Die zu den Hohlladungen verwendeten Auskleidungen können aus Stahl, Aluminium, Kupfer (J. Applied Physics 1948 563-582), weiterhin aus Blei, Nickel, Silber, Magnesium, Kobalt, Zinn, Zink oder aus Kadmium (Explosivstoffe 1959 155-167) hergestellt werden. Auch die aus eisenhaltigem Glas, aus stark ferrosiliziumenthaltenden keramischen Materialien und aus stark graphitenthaltendem Gusseisen hergestellten Futterstoffe sind bekannt (Patentschrift der BRD No. 1 139418).

Die DE-PS No. 1 076 543 beschreibt die Verwendung von den mit Zinnüberzug versehenen Kügelchen als Auskleidung. Entsprechend der ungarischen Patentschrift No.

1 462 901 werden geschrumpfte und gepresste Eisen-, Kupferoder Titanpulver als Auskleidung verwendet, jedoch nach der ungarischen Patentschrift No. 1477 241 verwendet man Titan oder eine Mischung von Aluminium und Eisenoxid zu diesem Zweck.

Es wurden ferner spezielle Legierungen als Zusätze der Hohlladungen beschrieben. Als solche eignen sich zum Beispiel Antimon- und Nickelpulver, welche in die eutektische Legierung von Zinn, Antimon, Zink und Blech gemischt wurden (US-PS 3 112700).

Es ist ferner vorgeschlagen worden, die Mischung seltener Erdmetalle als Auskleidungsmaterial zu verwenden (DE-PS No. 1 182 567).

Der gemeinsame Nachteil aller bisher für die Hohlladungen verwendeten Auskleidungen besteht darin, dass nur ein kleinerer Teil der Auskleidung bis zur recht grossen Geschwindigkeit von 5000-10 000 m/Sec beschleunigt wird und den das eigentliche Durchschlagen vollbringenden kumulativen Strahl bildet.

Der grössere Teil der Auskleidung ist kürzer als der kumulative Strahl, sein Durchmesser ist jedoch grösser. Die Auskleidung bildet eine zigarrenförmige Metallstange, die dem kumulativen Strahl mit einer um 50-70% verringerten Geschwindigkeit folgt. Dieser Teil hat eine verhältnismässig kleine Geschwindigkeit, wobei jedoch die im Verhältnis zum Lochdurchmesser einen grossen Durchmesser besitzende Metallstange in vielen Fällen das durch den kumulativen Strahl in das Futterrohr geschlagene Loch versperrt. Demzufolge wird die Perforation der zementierten Futterrohre der Erdöl-Erdgasbohrungen nicht befriedigend, weil in den Bohrungen sogenannte Metallstöpsel stecken.

Aus den aus bekannten Metallpulvern hergestellten Auskleidungen bildet sich zwar kein Stöpsel, aber die Tiefe des Durchschlages wird, verglichen mit der Tiefe der aus der massiven Auskleidungen gebildeten Durchschläge, wesentlich kleiner. Deshalb haben sich die Auskleidungen mit solchen Pulvermaterialien in der Praxis nicht bewährt.

Das Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Zusatzes für die Hohlladungsauskleidung, bei welcher das Perforieren des Futterrohres mit grosser Effektivität erfolgt beziehungsweise ein Loch mit grossem Durchmesser zustande kommt, wobei sich in dem Loch kein Metallstöpsel herausbildet.

Es wurde gefunden, dass das oben genannte Ziel erreicht werden kann, wenn zu den für das Perforieren der Futterrohre von zu Erdöl und Erdgasbohrungen verwendeten Hohlladungen als wirkungssteigerndem Zusatz eine wismuthaltige Legierung und/oder eine wismuthaltige Metallmischung und/oder elementares Wismut verwendet wird.

Die Erfahrung hat gezeigt, dass sich die bekannten wir-kungssteigernden Auskleidungsmaterialien trotz des grossen Druckes während der Kumulation nicht wie eine ideale Flüssigkeit verhalten, weil bei der Formänderung innerhalb der Auskleidung Abscherkräfte auftreten, die die Bewegungsenergie des kumulativen Strahles vermindern. Andererseits wird der Strahl von grosser Geschwindigkeit bei seinem Flug infolge des während der Kumulation gesetzmässig auftretenden Geschwindigkeitsgradienten ausgedehnt und zerstük-kelt, so dass der nicht zusammenhängende kumulative Strahl eine kleinere Durchschlagskraft aufweist und nicht so weit in den Zielgegenstand eindringen kann. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass die aus wismuthaltigen Legierungen und selbst aus dem elementaren Wismut hergestellten Auskleidungen als Zusätze in überraschender Weise mit weniger Arbeitsaufwand zu formen sind, dass sie eine grosse Bewegungsenergie annehmen und sich bei der Herausbildung des kumulativen Strahles fast wie in eine ideale Flüssigkeit verhalten. Bisher wurde Wismut bzw. eine Wismutlegierung für diesen Zweck gar nicht verwendet.

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Der wirkungssteigernde Zusatz entsprechend der Erfindung enthält 0,5-100% Wismut und kann, wie an sich bekannt ist, eine drehsymmetrische Form haben oder im allgemeinen kegel-, doppelkegel- oder kegelstumpfförmig usw. ausgebildet sein.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Zusatzes entsprechend der Erfindung bilden solche aus wismuthaltigen elektischen Legierungen gefertigten Auskleidungen, die aus 55,5% Wismut und 44,5% Blei enthaltenden (op. 124°C), 58% Wismut und 42% Zinn enthaltenden (op. 140°C) oder 48% Wismut, 28,5% Blei, 14,5% Zinn und 9% Antimon enthaltenden (op. 226°C) Legierungen bestehen. Diese in 48-60% wismutenthaltenden, aus eutektischen Legierungen gefertigten, kegelförmigen Auskleidungen bilden in den geschlagenen Löchern keine Stöpsel, erhöhen die Durchschlagskraft der Hohlladung bedeutend. Im Falle einer kegelförmigen Auskleidung mit 60° Spitzenwinkel ist dieselbe Hohlladung in der Lage, die um 50-70% grössere Menge Auskleidung effektiv zu beschleunigen, wenn für das Material der Auskleidung anstelle des bekannten Kupfers das obige wismuthaltige Eutektikum allein oder gemischt mit Kupfer- und/ oder Bronzepulver verwendet wird. Infolge der Verminderung der für das Zerknicken der kegelförmigen Auskleidung aufgewandten Energie und infolge der auch bei grosser Strahlausdehnung beibehaltenen Kohärenz wird die Eindringtiefe um 20-60% grösser, wobei keine massiven Metallstöpsel gebildet werden.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des wirkungs-steigernden Zusatzes entsprechend dem Vorschlag bilden Auskleidungen, die verhältnismässig wenig Wismut-Kupferlegierungen enthalten. Diese Legierungen sind nämlich auch bei recht kleinem z.B. 0,7% Wismutanteil ausserordentlich spröde, und zerbrechen durch eine dynamische Kraftwirkung wie eine Detonation zum Pulver. Demzufolge entsteht eine stöpselfreie Perforation.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der wirkungs-steigernden Auskleidung bilden die allein aus Wismut bestehenden Auskleidungen. Mit diesen kann man eine ausserordentliche Eindringtiefe ohne Stöpsel erreichen.

Die aus Wismut gefertigte Auskleidung als Zusatz entsprechend der Erfindung wurde mit der bekannten Auskleidung aus Kupfer verglichen. Die mit zwei Sorten von Auskleidungen versehenen - sonst gleichen - Hohlladungen wurden in eine Aluminiummasse eingeschossen, worauf je 20 Einschüsse vorgenommen und die minimalen und maximalen Werte der Eindringtiefe, weiterhin der Durchschnitt und die eventuelle Stöpselbildung geprüft wurde. Die erhaltenen Ergebnisse zeigt die nachfolgende Tabelle.

i Vergleich einer wismutenthaltenden Auskleidung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung mit einer bekannten Auskleidung

10

Auskleidung mit Auskleidung aus Wismutanteil Kupfer

15

Eindringtiefe/mm minimal maximal durchschnittlich Häufigkeit der Stöpselbildung/%

165 225 189

0

102 166 131

55

20

Aus der Tabelle geht hervor, dass die minimale Eindringtiefe bei der Auskleidung als Zusatz entsprechend der Erfindung der maximalen Eindringtiefe bei der bekannten Auskleidung aus Kupfer entspricht. Die durchschnittliche Ein-25 dringtiefe in die Auskleidung entsprechend der Erfindung ist um 44% länger als in die bekannte Auskleidung.

Aus der Tabelle ist auch ersichtlich, das bei der vorgeschlagenen Auskleidung entsprechend der Erfindung keine Stöpselbindung erfolgt.

30 Die vorgeschlagene Auskleidung als Zusatz entsprechend der Erfindung sichert verschiedene technisch-wirtschaftliche Vorteile.

Bei den Erdöl-Erdgasbohrungen wird wegen der in die zementierten Rohre geschlagenen Eindringkanäle von grös-35 serer Tiefe und ohne Stöpsel die hydraulische Verbindung zwischen den Lagerschichten hinter den zementierten Rohren und dem Raum innerhalb des Rohres verbessert. Als Ergebnis kann man aus der Sonde Kohlenwasserstoffe in grösserer Menge gewinnen.

40 Betrachtend, dass die Länge der Eindringkanäle während des Perforierens vergrössert wird, und dass die Kanäle keine Stöpsel enthalten, kann man die spezifische, das heisst auf eine einheitliche Futterrohrlänge anfallende Schusszahl mit Beibehalten des gleichen Strömungsergebnisses vermindern.

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