RU2065933C1

RU2065933C1 - Hollow-cone charge of perforator

Info

Publication number: RU2065933C1
Application number: RU94010081A
Authority: RU
Inventors: В.В. Бурцев; Е.М. Рабинович
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
Priority date: 1994-04-01
Filing date: 1994-04-01
Publication date: 1996-08-27

Abstract

FIELD: petroleum industry. SUBSTANCE: in opening of holes basically oil holes and to increase depth of channel made in ground by perforator it has body containing explosive material with shaped charge recess which is formed by tapered surface and lined. Minimal radius of tapered surface of lining relates to its maximal radius as 0.35:0.7. Additionally, at each cross section of device, ratio of hollow-charge recess to its outer diameter is at least 0.6. Besides, cone formed by shaped charge recess has rounded apex. Angle of half-span of cone is 19-23^o. EFFECT: high efficiency. 23 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для использования при вскрытии преимущественно нефтяных скважин. The invention relates to the mining industry and is intended for use in opening mainly oil wells.

В настоящее время в мире в эксплуатации находится целый ряд перфораторов предназначенных для вскрытия обсаженных скважин. Действие кумулятивных перфораторов всех типов основано на способности кумулятивной струи, образуемой при детонировании заряда взрывчатого вещества (ВВ) с облицованной выемкой, пробивать отверстия или каналы в различных преградах. Currently, a number of rotary hammers designed for opening cased wells are in operation in the world. The action of cumulative punchers of all types is based on the ability of a cumulative jet, formed when detonating an explosive (BB) charge with a lined recess, to punch holes or channels in various obstacles.

Общим элементом для всех перфораторов является кумулятивный заряд, в котором используется так называемый кумулятивный эффект, давший название всему семейству перфораторов. A common element for all perforators is the cumulative charge, which uses the so-called cumulative effect, which gave the name to the entire family of perforators.

Конструкция заряда кумулятивных перфораторов подчинена требованиям высокого пробивного действия при малых габаритных размерах и массе ВВ. Размеры зарядов ограничены стенками корпуса перфоратора или индивидуальных оболочек и величиной минимально допустимого зазора между перфоратором и стенками обсадной колонны. Масса ВВ должна быть минимальной для того, чтобы уменьшить вредное воздействие взрыва на обсадную колонну. The design of the charge of cumulative perforators is subject to the requirements of high breakdown action with small overall dimensions and mass of explosives. The size of the charges is limited by the walls of the housing of the punch or individual shells and the size of the minimum allowable gap between the punch and the walls of the casing. The explosive mass should be minimal in order to reduce the detrimental effect of the explosion on the casing.

Оболочка заряда, ограничивающая ВВ, препятствует разлету продуктов детонации, повышает эффективность кумулятивного заряда, увеличивая размеры пробиваемого канала. Для этого желательно, чтобы материал оболочки имел большую плотность и малую сжимаемость. The charge shell, limiting the explosive, prevents the expansion of detonation products, increases the efficiency of the cumulative charge, increasing the size of the punched channel. For this, it is desirable that the shell material has a high density and low compressibility.

Облицовку кумулятивной выемки делают из материалов с большой плотностью, обладающих высокой пластичностью при больших скоростях деформации и температуре, чаще всего из меди, стали или сплавов цветных металлов. Толщина облицовки зависит от формы, размеров заряда и выемки, материала облицовки и ВВ и для распространенных перфораторных зарядов находится в пределах 0,6 1,2 мм. The lining of the cumulative excavation is made of materials with high density, having high ductility at high strain rates and temperature, most often from copper, steel or non-ferrous alloys. The thickness of the cladding depends on the shape, size of the charge and the recess, the material of the cladding and explosives and for common perforator charges is in the range of 0.6 to 1.2 mm.

Для достижения высокой эффективности кумулятивного заряда необходимо обеспечить осевую симметрию всех деталей и сборки заряда, отсутствие зазоров между облицовкой и выемкой в шашке ВВ, осесимметричное и полное инициирование. To achieve high efficiency of the cumulative charge, it is necessary to ensure axial symmetry of all parts and charge assembly, the absence of gaps between the lining and the recess in the explosive checker, axisymmetric and complete initiation.

Обязательным условием образования кумулятивной струи является отсутствие в кумулятивной полости заряда какого-либо плотного (твердого или жидкого) вещества. A prerequisite for the formation of a cumulative jet is the absence in the cumulative cavity of a charge of any dense (solid or liquid) substance.

Характеристики некоторых перфораторов отечественного производства приведены в справочнике "Прострелочно-взрывная аппаратура"/ Под редакцией Фридляндера, М. Недра, 1990. The characteristics of some domestically-made rotary hammers are given in the reference book “Rifle-blasting equipment” / Edited by Fridlyander, M. Nedra, 1990.

В качестве удобно воспроизводимой характеристики пробивной силы кумулятивного заряда (КЗ) приводится глубина пробивания стали. Для того чтобы сравнивать совершенство конструкции перфораторов с различной массой взрывчатого вещества удобно брать, пользуясь законом подобия, глубину пробития стали при массе ВВ 20 г. Приведем эту величину для нескольких перфораторов. The depth of penetration of steel is given as a conveniently reproducible characteristic of the breakdown force of a cumulative charge (KZ). In order to compare the perfection of the design of perforators with different masses of explosives, it is convenient to take, using the law of similarity, the penetration depth of steel with an explosive mass of 20 g. We give this value for several perforators.

Видно, что разнообразные перфораторы близки по своей потенциальной пробивной способности. It can be seen that a variety of perforators are close in their potential penetration.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является КЗ ЗПКО 73Е, содержащий корпус из стали (или цинка), заряд ВВ и облицовку. Closest to the invention in technical essence is KZ ZPKO 73E, containing a housing of steel (or zinc), explosive charge and lining.

Недостатком прототипа является неполное использование энергии взрывчатки, что приводит к уменьшению глубины пробивания преграды и увеличению вредного воздействия перфоратора на обсадную колонну. The disadvantage of the prototype is the incomplete use of explosive energy, which leads to a decrease in the depth of penetration of the barrier and increase the harmful effects of the perforator on the casing.

Техническая задача изобретения увеличение глубины канала пробиваемого перфоратором в грунте. An object of the invention is to increase the depth of the channel pierced by a perforator in the ground.

Технический результат изобретения заключается в повышении дебита скважины за счет увеличения глубины канала пробиваемого перфоратором в грунте при том же вредном воздействии перфоратора на колонну, либо уменьшение вредного воздействия на скважину при тех же параметрах пробиваемого канала. The technical result of the invention is to increase the flow rate of the well by increasing the depth of the channel punched by a perforator in the soil with the same harmful effect of the perforator on the string, or by reducing the harmful effects on the well with the same parameters of the punched channel.

Этот результат достигается за счет того, что в кумулятивном заряде перфоратора, содержащем корпус, взрывчатое вещество с кумулятивной выемкой, образованной конической поверхностью покрытой облицовкой, отношение минимального радиуса конической поверхности облицовки к ее максимальному радиусу составляет 0,35 0,7. This result is achieved due to the fact that in the cumulative charge of the perforator containing the housing, an explosive with a cumulative recess formed by a conical surface coated with a cladding, the ratio of the minimum radius of the conical surface of the cladding to its maximum radius is 0.35 0.7.

Эффективность применения заряда увеличивается при его выполнении таким образом, что в каждом перпендикулярном к продольной оси конусной кумулятивной выемки сечении заряда, отношение диаметра кумулятивной выемки взрывчатого вещества к наружному диаметру взрывчатого вещества составляет не менее 0,6. The efficiency of the use of charge increases when it is performed in such a way that in each section of the charge perpendicular to the longitudinal axis of the conical cumulative recess, the ratio of the diameter of the cumulative recess of the explosive to the outer diameter of the explosive is at least 0.6.

Целесообразно также выполнять заряд таким образом, что конус, образованный кумулятивной выемкой, имеет скругленную вершину, а угол полураствора конуса составляет 14-23^o.It is also advisable to charge in such a way that the cone formed by the cumulative recess has a rounded apex, and the half-angle of the cone is 14-23 ^o .

Анализ расчетов показывает, что для увеличения глубины пробивания надо добиваться следующего изменения работы кумулятивного заряда (КЗ):
1. Необходимо увеличивать отбор энергии облицовки от ВВ.Analysis of the calculations shows that to increase the penetration depth, it is necessary to achieve the following change in the operation of the cumulative charge (CI):
1. It is necessary to increase the energy extraction of the cladding from the explosive.

2. Необходимо увеличивать скорость струи в головной ее части. 2. It is necessary to increase the speed of the jet in its head part.

Для увеличения отбора энергии естественно увеличить объем полости внутри облицовки, так как отбор энергии есть произведение среднего давления на объем. Сделано это, прежде всего, за счет увеличения радиуса закругления конической облицовки в существующих КЗ. Этот радиус выбирается из конструктивных соображений и не является предметом оптимизации. В нашем предложении радиус закругления выбирается достаточно большим и правильный его выбор является фактически одним из основных (если не основным) способом достижения технического результата. Поскольку скругление может быть и не сферическим мы будем говорить не о радиусе скругления, а о минимальном значении внутреннего радиуса конической части облицовки. To increase the selection of energy, it is natural to increase the volume of the cavity inside the lining, since the selection of energy is the product of average pressure and volume. This is done, first of all, by increasing the radius of curvature of the conical cladding in existing short-circuiting. This radius is selected for design reasons and is not subject to optimization. In our proposal, the radius of the rounding is chosen large enough and its correct choice is actually one of the main (if not the main) way to achieve a technical result. Since the fillet may not be spherical, we will not talk about the fillet radius, but about the minimum value of the inner radius of the conical part of the cladding.

В качестве численной характеристики этого радиуса берется его отношение к максимальному значению внутреннего радиуса облицовки, причем для этого отношения интервал значений составляет от 0,35 до 0,7. При выходе за патентуемый диапазон отношений радиусов возникают те или иные трудности. При слишком большом радиусе выбрасывается из области образующей кумулятивную струю слишком большая часть облицовки и ВВ. При слишком малых значениях радиуса закругления облицовки конусная часть облицовки делается слишком длинной и возникают дополнительные трудности при выборе разнотолщинности в процессе оптимизации профиля скоростей. As a numerical characteristic of this radius, we take its relation to the maximum value of the inner radius of the cladding, and for this ratio the range of values is from 0.35 to 0.7. When going beyond the patented range of relations of radii, certain difficulties arise. If the radius is too large, too much of the lining and explosives are ejected from the region forming the cumulative jet. If the radius of curvature of the lining is too small, the conical part of the lining becomes too long and additional difficulties arise when choosing the thickness in the process of optimizing the velocity profile.

Для дополнительного увеличения отбора энергии целесообразно также уменьшать толщину ВВ. При этом используется заряд ВВ такой геометрической формы, что в любом перпендикулярном оси сечении проходящем через конусную часть облицовки отношение внутреннего радиуса ВВ к его наружному радиусу составляет не менее 0,6. To further increase energy extraction, it is also advisable to reduce the thickness of the explosive. The explosive charge is used in such a geometric shape that in any section perpendicular to the axis passing through the conical part of the cladding, the ratio of the internal radius of the explosive to its external radius is at least 0.6.

Для повышения максимальной скорости струи производится переход к нетрадиционно малым для перфораторов углам. В примере реализации взят угол полураствора конуса облицовки d 17,5^o. Патентируется диапазон углов от 14 до 23^o. При выходе за этот диапазон возникают определенные трудности при малых углах трудно получить необходимое значение минимальной скорости, а при больших углах возникают трудности с получением больших значений скорости в головной части струи.To increase the maximum speed of the jet, a transition is made to angles that are not traditionally small for perforators. In the example implementation, the angle of the half-solution of the cone of the cladding is d 17.5 ^o . Patents a range of angles from 14 to 23 ^o . When going beyond this range, certain difficulties arise at small angles, it is difficult to obtain the necessary value of the minimum velocity, and at large angles there are difficulties with obtaining large values of velocity in the head of the jet.

Для уменьшения скорости струи в хвостовой части применяем соответствующим образом подобранную разнотолщинность. To reduce the speed of the jet in the tail, we apply an appropriately selected thickness difference.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез предлагаемого кумулятивного заряда. The invention is illustrated in the drawing, which shows a longitudinal section of the proposed cumulative charge.

Кумулятивный заряд содержит облицовку 1, покрывающую взрывчатое вещество (ВВ) 2, которое заключено в корпус 3. Детонация к заряду передается взрывной линией 4. Внутри заряда образована кумулятивная выемка 5. Кумулятивная выемка 5 ограничена конусной поверхностью облицовки 1, образующая которой наклонена к оси О-О под углом, лежащим в пределах 14 23^o. Вершина конуса имеет скругленную форму, например, сферическую. В этом случае центр сферической поверхности с радиусом r лежит на оси О-О. В этом случае минимальный радиус конической поверхности R_min будет расположен в сечении, перпендикулярном оси О-О и проходящем через центр сферической поверхности. Максимальный радиус конической поверхности R_max лежит в сечении, совпадающем с основанием конуса. Согласно изобретению отношение R_min к R_max лежит в пределах 0,35 0,7. В любом сечении, перпендикулярном оси О-О и проходящем через конусную поверхность кумулятивной выемки 5, отношение диаметра ВВ2 к его большему диаметру должно быть не меньше 0,6. В этом случае наиболее рационально используется энергия взрыва ВВ.The cumulative charge contains a lining 1 covering the explosive (BB) 2, which is enclosed in the housing 3. Detonation to the charge is transmitted by the explosive line 4. A cumulative recess 5 is formed inside the charge. The cumulative recess 5 is limited by the conical surface of the lining 1, the generatrix of which is inclined to the O axis -O at an angle lying within 14 23 ^o . The top of the cone has a rounded shape, for example, spherical. In this case, the center of a spherical surface with radius r lies on the O-O axis. In this case, the minimum radius of the conical surface R _min will be located in a section perpendicular to the axis O-O and passing through the center of the spherical surface. The maximum radius of the conical surface R _max lies in the section coinciding with the base of the cone. According to the invention, the ratio of R _min to R _max lies in the range of 0.35 0.7. In any section perpendicular to the O-O axis and passing through the conical surface of the cumulative recess 5, the ratio of the diameter of BB2 to its larger diameter should be at least 0.6. In this case, the explosive energy of the explosive is used most rationally.

Кумулятивный заряд перфоратора работает следующим образом. The cumulative charge of the punch works as follows.

Коническая кумулятивная облицовка 1 под действием взрыва заряда ВВ2 схлопывается к оси. Из фокусирующегося на оси материала облицовки формируется остронаправленная кумулятивная струя. Взаимодействие струи с преградой при высокой скорости струи приводит к испарению материала преграды и образованию канала в пробиваемом материале. Conical cumulative lining 1 under the action of an explosion of charge BB2 collapses to the axis. A highly directional cumulative jet is formed from the facing material focused on the axis. The interaction of the jet with the obstruction at a high jet velocity leads to the evaporation of the obstruction material and the formation of a channel in the material to be pierced.

Технический эффект заключается в том, что по проведенным расчетам при массе ВВ, равной 20 г, глубина пробивания стали составляет 260 мм, что в 2,0 раза больше, чем у существующих перфораторов. The technical effect consists in the fact that according to the calculations with an explosive mass of 20 g, the penetration depth of steel is 260 mm, which is 2.0 times more than with existing perforators.

На самом деле технический эффект еще больше, так как повышение отбора энергии облицовкой означает уменьшение энергии идущей в ударную волну воздействующую на обсадную колонну. Следовательно, либо при фиксированной массе ВВ несколько уменьшается воздействие на обсадную колонну (или корпус если речь идет о корпусном КЗ), либо сохраняя воздействие можно увеличить массу ВВ. ТТТ1 In fact, the technical effect is even greater, since an increase in the energy consumption of the cladding means a decrease in the energy going into the shock wave acting on the casing. Therefore, either with a fixed mass of explosives, the effect on the casing (or the casing if it is a case casing) is slightly reduced, or by maintaining the impact, the mass of explosives can be increased. TTT1

Claims

1. The cumulative charge of a perforator containing a housing, an explosive with a cumulative recess formed by a conical surface and covered with a cladding, characterized in that the ratio of the minimum radius of the conical surface of the cladding to its maximum radius is 0.35 0.7.

2. The cumulative charge according to claim 1, characterized in that in each section perpendicular to the longitudinal axis of the conical cumulative recess, the ratio of the diameter of the cumulative recess of the explosive to the outer diameter of the latter is at least 0.6.

3. The cumulative charge according to claim 1, characterized in that the cone formed by the cumulative recess has a rounded apex, and the half-angle of the cone is 14 23 ^o .