Кумулятивные перфораторы. 
Теория действия кумулятивных зарядов

При бурении нефтяных и газовых скважин для вскрытия продуктивного пласта в большинстве случаев применяют кумулятивные перфораторы. Кумулятивные заряды различаются устройством и назначением и в зависимости от горно-геологических условий имеют разнообразные области применения.

К кумулятивным перфораторам предъявляются следующие требования: обеспечение высокого пробивного действия; свободное прохождение в скважину во время спуска и подъёма в утяжелённых и вязких растворах; обеспечение вскрытия всей мощности продуктивного пласта при требуемой плотности перфорации за минимальное число спусков; возможность отстрела зарядов в две стороны.

Кумулятивные заряды должны обеспечить высокое пробивное действие, достаточное для простреливания одной или нескольких обсадных колонн и создания после этого в горной породе, слагающей продуктивный пласт, каналов требуемых размеров.

Кумулятивная перфорация скважин основана на пробивном действии струй, создаваемых при взрыве зарядов в кумулятивных перфораторах. Взрывание кумулятивных зарядов в перфораторах происходит с помощью детонирующего шнура и взрывного патрона или от инициирующего устройства.

При взрыве кумулятивного заряда продукты детонации активной части ВВ заряда движутся к оси заряда и собираются в мощный концентрированный поток кумулятивной струи.

Объем углубления, создаваемого при взрыве кумулятивного заряда, пропорционален энергии ВВ, заключённой в активной части заряда. При взрыве заряда ВВ с необлицованной кумулятивной выемкой образуется углубление значительно большего объёма, чем в случае заряда, не имеющего выемки. Так, заряд с конусной выемкой даёт в мягкой стали выбоину полусферической формы с диаметром, равным диаметру заряда, с объёмом почти в 7 раз больше, чем при заряде с плоским торцом.

Если облицевать кумулятивную выемку тонким слоем металла, то заряд пробьёт в твёрдой преграде глубокий канал, имеющий примерно такой же объём, как и полусферической выбоины в предыдущем случае, но со значительно меньшим диаметром. В мягкой стали заряд пробивает канал конической формы длиной, равной трём-четырём диаметрам заряда.

Такое резкое изменение кумулятивного эффекта достигается за счёт перераспределения энергии между продуктами взрыва и материалом металлической облицовки с переходом части металла с внутренней поверхности облицовки в кумулятивную струю.

В зависимости от характеристик ВВ, заряда, формы и размеров кумулятивной выемки, материала и толщины её облицовки скорость головной части струи у различных зарядов достигает 3000… 10 000 м/с.

Скорость хвостовой части струи меньше примерно в 3^ раза скорости головной части струи.

Механизм проникновения кумулятивной струи в преграду применительно к условиям перфорации рассмотрен профессором Н. Г. Григорьяном, исходя из гидродинамической теории академика М. А. Лаврентьева.

Скорость углубления канала в преграде без учёта механической прочности материала преграды можно определить по формуле.

где)_с — скорость струи, км/с; р" и р_с — плотность преграды и струи, г/см³.

Следовательно, с увеличением плотности преграды скорость ее пробивания увеличивается.

Длина канала /_к связана с длиной струи /_с соотношением.

Таким образом, при отсутствии растяжения струи и без учёта механической прочности преграды длина канала увеличивается с уменьшением плотности преграды. С учётом динамической прочности материала преграды а_д (МПа) длина пробиваемого канала.

Длина пробиваемого канала уменьшается с ростом прочности материала преграды, но увеличивается с повышением скорости встречи струи с преградой о, и увеличением длины струи.

Зависимость диаметра канала d_K (см) от диаметра струи d_c (см), скорости проникания струи в преграду и_п (км/с), динамической твёрдости преграды Н_п и плотностей струи и преграды р_п и р_с (г/см³) может быть приближенно определена по формуле.

Следовательно, диаметр канала d_K, пробиваемого кумулятивной струей, прямо пропорционален диаметру струи d_c и в различной степени растёт с увеличением её скорости и_с и соотношения плотностей р" и р_с и уменьшается с увеличением динамической твёрдости преграды Н_и.

По способу герметизации зарядов и средств их взрывания кумулятивные перфораторы подразделяются на корпусные с извлекаемым корпусом многократного использования (ПК), с извлекаемым корпусом однократного действия (ПКО, ПКОС, ПНК) и бескорпусные с частично разрушающимся корпусом, монтажным каркасом и грузом (ПКС, ПРВ) и полностью разрушающимся корпусом с извлекаемой головкойгрузом (КПР, ПР).

Заряд кумулятивного перфоратора обычно состоит из шашки ВВ с кумулятивной выемкой, которая имеет металлическую облицовку. С противоположной стороны расположен промежуточный детонатор.

Заряд заключен в оболочку, которая в случае бескорпусных перфораторов должна быть полностью герметичной.

Отличительным признаком кумулятивных корпусных перфораторов всех типов является размещение группы негерметичпых кумулятивных зарядов и средств инициирования в полости герметичного корпуса, который защищает их от действия гидростатического давления и от непосредственного контакта со скважинной жидкостью. Взрывание снарядов осуществляется внутри корпуса.

Корпусные перфораторы используют в тех случаях, когда недопустимо повреждение обсадной колонны, а также при нежелательном засорении скважины. Перфораторы многократного использования типа ПК имеют толстый герметичный стальной корпус, в стенках которого имеются сквозные отверстия, служат для прохода кумулятивных струй.

Перфораторы ПК-85 и ПК-103Д (рис. 10.13) имеют заряды ЗПКЮЗ и ЗПК85 в бумажно-литых оболочках. Гнездовые отверстия в корпусе уплотнены вставками, дюралевыми дисками и резиновыми пробками.

Рис. 10.13. Кумулятивный корпусный перфоратор ПК-103Д многократного использования: 1 — кабельный наконечник; 2 — электроввод; 3 — головка; 4 — корпус;

• 5 — втулка; б — пробка;
• 7 — опорный диск;
• 8 — кумулятивный заряд;
• 9 — детонирующий шнур;
• 10 — электропровод;
• 11 — монтажный диск;
• 12 — наконечник;
• 13 — взрывной патрон

Перфораторы ПК-85ДУ и ПК-105ДУ имеют гнездовые отверстия в корпусе и герметические детали (опорный диск и резиновая трубка) уменьшенных диаметра и толщины.

Перфораторы ПК-80Н и ПК-90Н отличаются тем, что в них применены кумулятивные заряды в массивных цинковых оболочках. Из-за своей большой стоимости они применяются только в сложных горногеологических условиях.

Рис. 10.14. Кумулятивный ленточный перфоратор ПК-С65: 1 — кабельный наконечник; 2 — головка;

• 3 — электропровод;
• 4 — лента; 5 — заряд;
• 6 — детонирующий шнур;
• 7 — взрывной патрон; 8 — груз

Корпусные перфораторы однократного использования отличаются тем, что корпуса представляют собой сплошные тонкостенные трубы, простреливаемые кумулятивными струями. К ним относятся перфораторы ПКО-73, ПКО-89, КПОТ-89, ПКОТ-73.

Бескорпусные кумулятивные перфораторы отличаются большой гибкостью и относительно малой массой, что позволяет с их помощью простреливать за один спуск большие интервалы (до 30 м), спускать их в исправлснные и деформированные колонны труб. Одновременно можно спускать в скважину до 300 зарядов.

Основными недостатками бескорпусных перфораторов являются: ограниченная тсрмобаростойкость зарядного комплекта, повышенное механическое воздействие на обсадную колонну и затрубный цементный камень, засорение скважины осколками от перфоратора.

В ленточных кумулятивных перфораторах ПКС160, ПКС105, ПКС80, ПКС65 заряды заключены в стеклянные или ситалловые оболочки. Заряды монтируют в каркасе, представляющем собой скрепленные стальные ленты, к нижнему концу которых присоединяют чугунный груз (рис. 10.14). Кумулятивный разрушающий перфоратор ПРР280 применяется при бурении скважин на воду и предназначен для простреливания обсадных колонн водоносных горизонтов в скважинах.

Кумулятивный разрушающий перфоратор КПРУ65 имеет заряды, заключенные в литые алюминиевые герметичные оболочки.

Разрушающие кумулятивные перфораторы ПР43 и ПР54 в основном предназначены для перфорации скважин через колонну спущенных насосно-компрессорных труб с внутренним диаметром не менее 50 и 59 мм.

Контрольные вопросы

• 1. Какие требования предъявляются к кумулятивным перфораторам?
• 2. От чего зависит длина канала, пробиваемого кумулятивной струей?
• 3. Какие типы кумулятивных перфораторов Вы знаете?