RU2759024C9

RU2759024C9 - Shaped-charge perforator

Info

Publication number: RU2759024C9
Application number: RU2021111171A
Authority: RU
Inventors: Игорь Моисеевич Рафалович
Original assignee: Игорь Моисеевич Рафалович
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2021-12-15
Also published as: RU2759024C1

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: invention relates to the technique of perforating and blasting operations in wells and can be used for secondary opening of the near-wellbore zone of the formation. A shaped-charge perforator contains a body, shaped charges and detonation means. The perforator body has annular grooves located between charges, at distances that are multiples of the distances between charges and less than the critical body length. The annular grooves are rectangular or V-shaped, with the bottom of the grooves rounded. The shaped-charge perforator body has paired annular grooves.

EFFECT: preventing loss of stability of the shaped-charge perforator body.

3 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Предлагается корпусный кумулятивный перфоратор однократного использования для прострелочно-взрывных работ в скважинах вторичного вскрытия прискважинной зоны пласта.A single-use body-type cumulative perforator is proposed for perforating and blasting operations in wells for secondary penetration of the near-wellbore zone of the formation.

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.Known cumulative disposable perforators, the body of which is made of tubing in which shaped charges and explosives are placed: see 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.These rock drills can have a smooth body or a body with cylindrical blind punches located opposite shaped charges.

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.The disadvantage of these rock drills is the danger of loss of stability of the body at operating pressures, since the length of the body exceeds the critical length of the shell operating under the combined action of external pressure and axial force, see Standards for strength calculation ... PNAE G-7-002-86. The risk of loss of stability of the perforator increases when using cases with cylindrical cuts with a pairwise arrangement of charges ("Spark" perforators) and the arrangement of shaped charges in the same plane.

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.Also known cumulative disposable perforators, the body of which is made of pipes with annular rectangular grooves located opposite shaped charges, see US patent US 2010/300750 A1.

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.The annular groove rock drill can be considered as a thin-walled shell with stiffening ribs. Loss of stability of the perforator body is possible only in annular grooves at equivalent stresses above the yield strength of the material.

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 то же время она ограничивает возможность использования зарядов, у которых диаметр входного отверстия кумулятивной струи превосходит ширину канавки.The disadvantage of these rock drills is that the groove width determines the level of equivalent stresses in this zone and the permissible operating pressure during perforating and blasting operations. At the same time, it limits the possibility of using charges in which the diameter of the inlet of the shaped jet exceeds the width of the groove.

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.Disposable perforator with annular grooves, patent US 2010/300750 A1, is closest to the claimed design, characterized in that, in order to increase the permissible operating pressure during perforating and blasting operations, the perforator body has narrow annular grooves located between charges at distances , multiples of the distance between charges. In this case, the distance between the grooves is less than the critical length of the body.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2 и табл. 1, 2.The essence of the invention is illustrated in FIG. 1, 2 and tab. 12.

В качестве примера реализации конструктивного исполнения перфоратора с кольцевыми канавками рассмотрен кумулятивный перфоратор ∅89×9,35, расстояния между кумулятивными зарядами - 50 мм.As an example of the implementation of the design of a perforator with annular grooves, a cumulative perforator ∅89 × 9.35 is considered, the distance between shaped charges is 50 mm.

На фиг. 1 представлен корпус перфоратора с кольцевыми канавками, расположенными между кумулятивными зарядами.FIG. 1 shows the body of a perforator with annular grooves located between shaped charges.

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.FIG. 2 and in table. Figures 1 and 2 show the data of the strength calculation of the ∅89 × 9.35 perforator and the levels of permissible operating pressures during perforating and blasting operations.

В табл. 1 представлены данные расчета на устойчивость перфоратора ∅89×9,35.Table 1 shows the calculation data for the stability of the 89 × 9.35 perforator.

В табл. 2 приведены данные прочностного расчета перфоратора ∅89×9,35.Table 2 shows the data of the strength calculation of the 89 × 9.35 perforator.

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.Perforator housing, Fig. 1 has annular grooves located between charges at distances that are multiples of the distances between charges. The shape of the grooves can be rectangular or V-shaped (with a lower stress concentration factor). To reduce the stress concentration factor, the bottom of the grooves is rounded. It is possible to use paired grooves to reduce the stress concentration factor, which makes it possible to reduce the level of equivalent stresses _σeq on the outer surface of the perforator body. Recommended width of rectangular and V-shaped grooves (along the bottom of the groove) b≤h, depth h≤0.5⋅S, where S is the wall thickness of the perforator body. The width and depth of the mated grooves are within the ranges specified for rectangular and V-grooves.

В зонах расположения кумулятивных зарядов корпус может быть гладким или с цилиндрическими глухими выборками, см. фиг. 1.In the areas where shaped charges are located, the body can be smooth or with cylindrical blind recesses, see Fig. one.

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.FIG. 2 shows the data of the calculation of the stress-strain state of the body of the ∅89 × 9.35 perforator and the calculation of stability, see table. 1 and 2. The levels of allowable operating pressures are given.

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.As seen in FIG. 2, the permissible operating pressure for a perforator with annular grooves depends on the level of equivalent stresses on the inner surface of the body in the groove area (depending on the groove depth) and the strength group of the material, see GOST R 55779-2013. The permissible operating pressure [р] for the ∅89 × 9.35 perforator when using materials of groups M and P and the depth of the groove, h = 0.5⋅S, is equal to: 150 and 184 MPa, respectively. The admissible working pressure corresponds to the minimum values of the yield point of the material. As seen from the graphs, FIG. 2, this approach is conservative. With the selective selection of perforator bodies according to the material yield strength, see GOST R 55779-2013, the maximum working pressure can be significantly higher than the allowable one, p _max > [p] _m ([p] _p ), see Fig. 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.Table 1 shows the data of elastic calculation for the stability of a hammer drill ∅89 × 9.35 in accordance with the recommendations, see Standards for strength calculation ... PNAE G-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. табл. 1. При этом эквивалентные напряжения на внутренней поверхности гладкого корпуса, σ_экв=507 МПа, что существенно ниже предела текучести материала, см. фиг. 2.As can be seen from the table, for the ∅89 × 9.35 hammer drill, the critical body length without annular grooves is Lkr = 279 mm. Punch body length - 1000 mm. The body loses its stability at pressure, [p] _hl = 110 MPa, see table. 1. In this case, the equivalent stresses on the inner surface of the smooth body, _σeq = 507 MPa, which is significantly lower than the yield point of the material, see Fig. 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.The presence of annular grooves with a pitch of L = 200 and 250 mm leads to a significant increase in the limiting operating pressure to 300 and 250 MPa, respectively. Under these conditions, axial stresses do not significantly affect the stability of the perforator body, see table. 1. Loss of stability of the body is possible only in the zones of annular grooves, which occurs at equivalent stresses exceeding the yield strength of the material, σ _eq > σ _0.2 . The permissible operating pressure for a ring groove rock drill depends on the mechanical properties of the material. It is significantly higher than the allowable working pressure at which a perforator with a smooth body loses its stability, [p] _m ([p] _p )> [p] _ch , see Fig. 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.Table 2 shows the calculation of the stress-strain state of the material in the smooth part of the body and the area of the annular grooves for the 89 × 9.35 perforator. The calculation is carried out taking into account the presence of annular grooves located between the charges at distances that are multiples of the distances between the charges, which are less than the critical length of the body, L _kr . Groove depth h = 0.5⋅S (h = 4.7 mm), width (along the groove bottom) b = 1 ÷ 3 mm.

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.Equivalent stresses _σeq on the inner surface of the perforator in the zones of annular grooves do not depend on the type of narrow grooves (rectangular, V-shaped, paired), since with a groove width b = 1 ÷ 3 mm these stresses for all types of annular grooves are at the same level , see table. 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.Calculation for stability and strength calculation of the perforator allow us to conclude that the use of narrow annular grooves located between the charges, at distances of multiples of the distances between the charges, prevents the loss of stability of the perforator body at operating pressure p≥ [p] _hl .

Claims

1. Shaped perforator containing a housing, shaped charges and blasting means, characterized in that the perforator housing has annular grooves located between charges at distances that are multiples of the distances between charges and less than the critical length of the housing.

2. A cumulative perforator according to claim 1, characterized in that the annular grooves have a rectangular or V-shape, while the bottom of the grooves is rounded.

3. The cumulative perforator according to PP. 1 and 2, characterized in that the hammer body has paired annular grooves.