DE1083765B

DE1083765B - Shaped charge for perforating in deep boreholes

Info

Publication number: DE1083765B
Application number: DES57618A
Authority: DE
Inventors: Jacques Delacour
Original assignee: Societe de Prospection Electrique Schlumberger SA
Current assignee: Services Petroliers Schlumberger SA
Priority date: 1957-04-01
Filing date: 1958-03-28
Publication date: 1960-06-23
Also published as: FR1170521A

Description

Die Erfindung betrifft Hohlladungen zum Perforieren der die Innenwand von Bohrlöchern auskleidenden Metallrohre sowie des gegebenenfalls hinter die Rohre eingebrachten Zementes und der hinter dem Zement befindlichen geologischen Formationen. Die Erfindung bezweckt, eine wirksame Ausbeutung der betreffenden geologischen Schichten zu ermöglichen, wobei die erzeugten Perforationen dazu dienen, die in den Schichten befindlichen Flüssigkeiten in das Innere des Bohrlochs einströmen zu lassen.The invention relates to shaped charges for perforating those lining the inner wall of boreholes Metal pipes and the cement that may be introduced behind the pipes and the cement behind the Cement geological formations. The invention aims to provide an effective exploitation of the relevant geological layers to enable, the perforations produced serve to the in to allow fluids located in the layers to flow into the interior of the borehole.

Zur Vergrößerung der Ergiebigkeit einer Perforation ist offensichtlich anzustreben, daß die Perforation keine Einschnürung bildet, welche die Durchströmmenge beschränkt. Mit bisher üblichen Hohlladungen ist es schwierig, dieses Ziel zu erreichen, wie dies aus der nachstehenden Beschreibung einer in Fig. 1 der Zeichnung dargestellten bekannten Ausführungsform von Hohlladungen der geschilderten Art hervorgeht. In Fig. 1 bezeichnet 1 ein z. B. mit Bohrschlamm gefülltes Bohrloch. In das Innere des Bohrlochs ist eine Hohlladungs-Perforiervorrichtung üblicher Bauart eingeführt. Die Vorrichtung weist ein Metallgehäuse 2 auf, in dessen Innerem die Hohlladung angeordnet ist. Letztere besitzt einen Mantel 3, welcher die Sprengladung 4 enthält, wobei im Vorderteil der Sprengladung eine in der Regel aus Metall bestehende Auskleidung 5 angebracht ist. Die Ladung wird nach seitlichem Einführen in das Gehäuse 2 mit Hilfe des Metallstopfens 6 festgehalten, der gleichzeitig einen Hohlladung zum Perforieren
in TiefbohrlöchernIn order to increase the productivity of a perforation, the aim is obviously that the perforation does not form a constriction which restricts the flow rate. It is difficult to achieve this goal with previously customary shaped charges, as is evident from the following description of a known embodiment of shaped charges of the type described shown in FIG. 1 of the drawing. In Fig. 1, 1 denotes a z. B. borehole filled with drilling mud. A shaped charge perforating device of conventional design is inserted into the interior of the borehole. The device has a metal housing 2, in the interior of which the shaped charge is arranged. The latter has a jacket 3 which contains the explosive charge 4, a lining 5 generally made of metal being attached in the front part of the explosive charge. After being inserted into the housing 2 from the side, the charge is held in place with the aid of the metal plug 6, which also has a shaped charge for perforation
in deep boreholes

Anmelder:Applicant:

Societe de Prospection Electrique
Procedes Schlumberger, ParisSociete de Prospection Electrique
Procedes Schlumberger, Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Marsch., Patentanwalt,
Schwelm, Drosselst!. 31Representative: Dipl.-Ing. H. Marsch., Patent attorney,
Schwelm, throttle !. 31

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 1. April 1957Claimed priority:
France from April 1, 1957

Jacques Delacour, Paris,
ist als Erfinder genannt wordenJacques Delacour, Paris,
has been named as the inventor

terial der Auskleidung bildet den perforierenden Strahl, und es ist leicht einzusehen, daß die auf die Strahlbildung einwirkenden Bedingungen die Perfo-material of the liner forms the perforating jet, and it is easy to see that the on the Conditions affecting jet formation affect the performance

dichten Abschluß gewährleistet. Zum Abbrennen der 30 rierfähigkeit des Strahles maßgeblich beeinflussen.tight seal guaranteed. To burn off the ability of the beam to influence significantly.

Ladung dient auf bekannte Weise die Zündschnur 7. Im geschilderten Anwendungsfall muß der StrahlCharge is used in a known manner by fuse 7. In the application described, the beam must

In der Regel weist jedes Gehäuse 2 eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Hohlladungen auf, während die Zeichnung der Einfachheit halber nur eine dieser Ladungen veranschaulicht. In der Regel ist das Bohrloch mit einem Metallrohr 8 ausgekleidet, welches mit Zement 9 hinterfüllt ist. Mit 10 ist die geologische Formation bezeichnet, die als ergiebig betrachtet wird und die durch die Perforation mit dem Inneren des Bohrlochs verbunden werden soll. Wie bereits erwähnt, ist man bestrebt, eine möglichst regelmäßige Perforation zu erhalten, die möglichst weit in die geologische Formation eindringt und beispielsweise den in Fig. 1 gestrichelt eingezeichneten Umriß aufweist.As a rule, each housing 2 has a plurality of shaped charges arranged one above the other, while the drawing illustrates only one of these charges for simplicity. Usually it is Borehole lined with a metal pipe 8 which is backfilled with cement 9. At 10 it's geological Formation which is considered to be productive and which is formed by the perforation with the interior of the Borehole is to be connected. As already mentioned, one strives to be as regular as possible To obtain perforation that penetrates as far as possible into the geological formation and, for example, the in Fig. 1 has a dashed outline.

Bekanntlich besteht die Aufgabe der Auskleidung der Hohlladung darin, den perforierenden Strahl zu bilden. Unter dem Einfluß der Explosion bewirkt die in der Sprengladung sich ausbreitende Detonationswelle eine Dislokation und ein Abschmelzen der Aus folgende Teile durchdringen:As is known, the task of lining the shaped charge is to block the perforating jet form. Under the influence of the explosion, the detonation wave propagating in the explosive charge causes a dislocation and a melting of the Aus penetrate the following parts:

1. die Wand des aus Stahl oder Aluminium bestehenden Stopfens 6, welcher auf der rechten Seite der Ladung das letztere aufnehmende Gehäuse verschließt (Dicke etwa 2 bis 3 mm),1. the wall of the steel or aluminum plug 6, which is on the right side of the Charge closes the latter receiving housing (thickness about 2 to 3 mm),

2. die Bohrflüssigkeit 1, welche das Bohrloch ausfüllt (Breite des Ringquerschnittes etwa 10 bis 20 mm),2. the drilling fluid 1, which fills the borehole (width of the ring cross-section about 10 to 20 mm),

3. das Rohr 8 aus Spezialstahl, mit welchem die Wand des Bohrloches ausgekleidet ist (Wandstärke etwa 8 bis 12 mm),3. the pipe 8 made of special steel with which the wall of the borehole is lined (wall thickness about 8 to 12 mm),

4. den hinter die Rohrauskleidung 8 eingebrachten Zement 9 (Dicke 20 bis 50 mm) und4. the cement 9 (thickness 20 to 50 mm) introduced behind the pipe lining 8 and

5. die auszubeutende geologische Formation, und zwar soll der Strahl so tief wie möglich in die betreffende Schicht eindringen.5. The geological formation to be exploited, namely the jet should be as deep as possible into the penetrate the layer in question.

Der heterogene Aufbau der vom Strahl zu durchdringenden Wand bringt es mit sich, daß übliche Hohlladungen der in Fig. 1 dargestellten Art mit einerThe heterogeneous structure of those to be penetrated by the beam Wall brings it with it that usual shaped charges of the type shown in Fig. 1 with a

kleidung gegen die Achse der Hohlladung, wobei 50 klassischen Auskleidung von einfacher konischer Ge-clothing against the axis of the shaped charge, with 50 classic lining of simple conical shape

einem Teil der Auskleidung in Richtung dieser Achse eine Geschwindigkeit erteilt wird, die erheblich größer als diejenige der Detonationswelle sein kann. Das so auf eine sehr große Geschwindigkeit gebrachte Mastalt wohl regelmäßige Perforation in homogenen Stahlwänden erzeugen können, jedoch nicht in der Lage sind, einen derart unterschiedliche Schichten durchdringenden Abzugskanal mit dem gestrichelt ein-a part of the lining in the direction of this axis is given a speed which is considerably greater than that of the detonation wave. The Mastalt thus brought to a very high speed can probably produce regular perforations in homogeneous steel walls, but not in the Are able to penetrate such different layers of a drainage channel with the dashed line

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gezeichneten optimalen Profil 11 zu erzeugen. Insbe^ sondere bildet das Stahlrohr 8 ein ausgeprägt widerstandsfähiges Hindernis, womit die Perforation an dieser Stelle einen Querschnitt aufweist, der beträchtlich kleiner als der gewünschte Querschnitt ist.to generate drawn optimal profile 11. In particular ^ In particular, the steel tube 8 forms a markedly resistant obstacle, with which the perforation becomes this point has a cross-section which is considerably smaller than the desired cross-section.

Die Erfindung bezweckt, die geschilderten Nachteile auszuschalten und die Herstellung von Hohlladungen zum Erzeugen solcher Perforationen zu ermöglichen, deren Profil weitgehend der in Fig. 1 dargestellten optimalen Form entspricht;'Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß — beisonst gleichen übrigen Bedingungen ■—· die Geschwindigkeit jedes Strahlelements vom Neigungswinkel zur Ladungsachse des das betreffende Strahlelement bildenden Auskleidungselements und vom Abstand des betreffenden Ausklei- dungselements zur genannten Achse abhängt. Es ist deshalb möglich, durch Änderung des genannten Neigungswinkels in Abhängigkeit vom Abstand des betreffenden Auskleidungselements zur Ladungsachse — d. h. durch Änderung der Form der Auskleidung ■— die Form und Perforiergüte des Strahles zu beeinflussen. The invention aims to eliminate the disadvantages outlined and the production of shaped charges To enable the creation of such perforations, the profile of which largely corresponds to that shown in FIG corresponds to optimal shape; 'The invention is based on the knowledge that - all other conditions are the same ■ - · the speed of each radiating element from the angle of inclination to the charge axis of the relevant one Radiant element forming lining element and the distance of the relevant lining tion element depends on the said axis. It is therefore possible by changing the said inclination angle depending on the distance between the relevant lining element and the cargo axis - d. H. by changing the shape of the lining ■ - to influence the shape and perforation quality of the jet.

Im vorliegenden Fall handelt es sich darum, durch geeignete Formgebung der Auskleidung die maximale Strahlenergie auf die widerstandsfähigsten Teile des zu durchdringenden Materials zu konzentrieren. Es sind dies vornehmlich die Auskleidung 8 und der dahinter befindliche Zement. Dies kann erfindungsgemäß durch Ersatz der bisher zum Erzeugen von Perforationen üblichen Auskleidungen mit konischer oder leicht trompetenförmiger Form durch solche Auskleidungen erreicht werden, die — in ihrem Mittelteil und gegebenenfalls geringfügig gegen die Ladungsspitze versetzt — eine verhältnismäßig ausgeprägte Ausbauchung aufweisen.In the present case it is a question of achieving the maximum through suitable shaping of the lining To concentrate beam energy on the most resistant parts of the material to be penetrated. It these are primarily the lining 8 and the cement behind it. This can according to the invention by replacing the conventional linings with conical or slightly trumpet-shaped can be achieved by such linings, which - in their central part and possibly slightly offset from the tip of the charge - a relatively pronounced bulge exhibit.

Die Erfindung und weitere mit ihr zusammenhängende Merkmale sind nachstehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention and further features related to it are described below with reference to the Drawing illustrated embodiment explained in more detail.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß gestalteten Auskleidung einer Hohlladung, undFig. 2 shows schematically an embodiment of an inventive lining of a Shaped charge, and

Fig. 3 die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten Auskleidung.3 shows the mode of operation of the lining shown in FIG.

In Fig. 2 ist nur die Hohlladung dargestellt, und zwar in gegenüber Fig. 1 vergrößertem Maßstab, wobei vorausgesetzt sei, daß die Ladung in einer Vorrichtung der in Fig. 1 veranschaulichten Art angeordnet ist. Mit 3 ist wiederum der Mantel der Ladung bezeichnet, die ferner die Sprengladung 4 und die Auskleidung 5 aufweist.In Fig. 2 only the shaped charge is shown, and in relation to Fig. 1 enlarged scale, wherein it is assumed that the charge is placed in an apparatus of the type illustrated in FIG is. With 3 again the coat of the charge is referred to, which also includes the explosive charge 4 and the lining 5 has.

Erfindungsgemäß weist die im allgemeinen als Rotationsfläche von trompetenförmiger Gestalt ausgebildete Auskleidung in ihrer mittleren Partie — jedoch, in Schußrichtung gesehen, leicht nach hinten versetzt — ein Ausbauchung 12 der gezeichneten Form auf.According to the invention, the generally designed as a surface of revolution of trumpet-shaped shape Lining in its middle part - however, seen in the weft direction, slightly offset backwards - A bulge 12 of the drawn shape.

Eine solche Ausbauchung kann beispielsweise vorteilhaft folgende Größenverhältnisse besitzen:Such a bulge can, for example, advantageously have the following proportions:

Abstand f zwischen einem Fünftel und einem Fünfzigstel des Kalibers Φ, Sehne C zwischen einem Zehntel und der Größe des Kalibers Φ.Distance f between one fifth and one fiftieth of the caliber Φ, chord C between one tenth and the size of the caliber Φ.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß auf geschilderte Weise ausgebildete Hohlladungen Perforationen erzeugen, welche weitgehend die optimale Form 11 (Fig. 1) aufweisen.Experience has shown that shaped charges formed in the manner described produce perforations, which largely have the optimal shape 11 (Fig. 1).

Die überraschende Wirkung einer solchen Hohlladung kann wie folgt an Hand der Fig. 2 und 3 erklärt werden. Zu diesem Zweck werden einzelne Abschnitte R₁, R₂, R_&, R₄^ der Auskleidung betrachtet, die zur Bildung der verschiedenen Strahlabschnitte bestimmt sind. Der erste Abschnitt R₁, welcher die vordere Partie des Strahles bildet, wird mit einer sehr großen Geschwindigkeit und einem großen Geschwindigkeitsgradienten bewegt, derart, daß dieser Abschnitt die Strahlspitze bildet und sich durch eine gute Streckung der entsprechenden Strahlpartie auszeichnet. The surprising effect of such a shaped charge can be explained as follows with reference to FIGS. 2 and 3. For this purpose, individual sections R ₁ , R ₂ , R _& , R ₄ ^ of the lining are considered, which are intended to form the various jet sections. The first section R ₁ , which forms the front part of the jet, is moved at a very high speed and a large speed gradient, in such a way that this section forms the jet tip and is characterized by a good stretching of the corresponding jet section.

Der Abschnitt R₂ der Auskleidung erzeugt dank seiner Form einen Strahlabschnitt mit verhältnismäßig niedriger Geschwindigkeit und schwachem Geschwindigkeitsgradienten. Der aus dem Teil R₂ hervorgehende Strahlabschnitt ist deshalb verhältnismäßig konzentriert.The section R _{2 of} the lining, thanks to its shape, creates a jet section with a relatively low speed and a slight speed gradient. The beam section emerging from part R ₂ is therefore relatively concentrated.

Demgegenüber ergibt der Teil R₃ der Auskleidung dank seiner Form einen stark gestreckten Strahlabschnitt hoher Geschwindigkeit, während andererseits aus dem Teil i?₄ eine vorteilhafte Strahlverlängerung mit großer Tiefenwirkung resultiert. Es ergeben sich folgende Wirkungen (Fig. 3): Der Strahlabschnitt I₁, der eine sehr hohe Geschwindigkeit aufweist, wird zum Perforieren, des Stopfens 6 und zum Durchdringen der Bohrflüssigkeit 1 aufgebraucht. Die aus den Auskleidungsabschnitten R₂ und R₃ hervorgehenden Strahlabschnitte I₂ und /₃ sind wesentlich stärker konzentriert, weil der Abschnitt J₃ sich rascher als der Abschnitt I₂ bewegt; diese Strahlabschnitte — als Ganzes gesehen — neigen deshalb dazu, ineinander überzugehen, was eine radiale Ausdehnung zur Folge hat. Die in diesen beiden Strahlabschnitten enthaltene Energie wird dann zum Erzeugen einer Perforation mit großem Durchmesser im Stahlrohr 8 und im Zementmantel 9 aufgebraucht. Schließlich dient der aus dem Auskleidungsabschnitt i?₄ hervorgehende, sehr stark gestreckte Strahlabschnitt T₄ dazu, in der geologischen Formation einen Kanal größtmöglicher Länge zu erzeugen.On the other hand, the part R _{3 of} the lining, thanks to its shape, results in a highly elongated jet section of high speed, while on the other hand from the part i? ₄ results in an advantageous beam extension with a great depth effect. The following effects result (FIG. 3): The jet section I ₁ , which has a very high speed, is used up to perforate the plug 6 and to penetrate the drilling fluid 1. Products resulting from the casing sections R ₂ and R ₃ beam sections I and _{_2/3} are much more concentrated because the portion J moves more quickly than the portion ₃ I _2; these beam sections - seen as a whole - therefore tend to merge into one another, which results in a radial expansion. The energy contained in these two beam sections is then used to create a perforation with a large diameter in the steel pipe 8 and in the cement jacket 9. Finally, from the lining section i? ₄ emerging, very strongly elongated beam section T ₄ to create a channel of the greatest possible length in the geological formation.

Die Erfindung ist nicht auf das geschilderte Ausführungsbeispiel beschränkt. So sind im Rahmen vorliegender Erfindung mannigfache Abänderungen denkbar. Insbesondere ist es nicht nötig, daß die Form der Auskleidung einer genauen Rotationsfläche entspricht. Vielmehr könnten zur Ladungsachse senkrechte Schnitte durch die Oberfläche der Auskleidung beispielsweise eine leicht elliptische, polygonale oder ähnliche Form aufweisen.The invention is not restricted to the exemplary embodiment described. So are within the scope of the present Invention of various modifications conceivable. In particular, it is not necessary that the shape of the Lining corresponds to an exact surface of revolution. Rather, they could be perpendicular to the load axis Sections through the surface of the lining, for example, a slightly elliptical, polygonal or similar Have shape.

Claims

Patent claims:

1. Shaped charge for perforating the pipes lining the inner wall of boreholes and of the cement that may have been introduced behind the pipes as well as that behind the cement geological formations, characterized in that for producing perforations with as possible With a constant diameter, the shaped charge has a lining arranged in the middle part having an annular bulge.

2. Hollow charge according to claim 1, characterized in that the bulge - in the weft direction seen - is located in the rear area of the central part.

3. Hollow charge according to claim 1, characterized in that the bulge having the Lining has an approximately trumpet-shaped widening general shape.

4. shaped charge according to claim 1, characterized in that "ge

indicates that the perpendicular distance between the tendon and arch of the bulge is a Size between one fifth and one fiftieth of the diameter or caliber φ of the cargo having.

5. Hollow charge according to claim 1, characterized in that the tendon of the bulge a size between a tenth of the diameter or caliber φ and the size of this Has diameter.

1 sheet of drawings