Взрыватель для скважинной аппаратуры

Изобретение относится к нефтегазодобывающей и горной промышленности и может быть использовано при прострелочно-взрывных работах в скважинах. Технический результат - увеличение срока службы и увеличение надежности срабатывания взрывателя. Взрыватель для скважинной аппаратуры включает корпус с осевым ступенчатым каналом, имеющим в верхней части больший диаметр, чем в нижней части, поршень, зафиксированный в осевом канале с большим диаметром в его крайнем верхнем положении, перекрыватель осевого канала, размещенный в зоне перехода осевого канала с одного диаметра на другой и образующий с поршнем в его подпоршневом пространстве герметичную камеру, заполненную газом или смесью газов, заряд ВВ, частично заполняющий нижнюю часть канала под перекрывателем, и средство расфиксации поршня. При этом взрыватель выполнен с возможностью импульсного сжатия в подпоршневом пространстве газа или смеси газов в 200-500 раз в сравнении с начальным их давлением, разогрева газа или смеси газов за счет упомянутого импульсного их сжатия до температуры на 20-40% выше температуры воспламенения заряда ВВ, среза перекрывателя в одном из нижних положений поршня, разгона срезанного фрагмента перекрывателя до скорости, обеспечивающей генерирование ударной волны в заряде ВВ, способной вызвать его детонацию и осуществление собственно детонации заряда ВВ путем сочетания с волновым воздействием на заряд ВВ теплового воздействия разогретым фрагментом перекрывателя, разогретыми газом или смесью газов и механического воздействия упомянутым фрагментом перекрывателя. 13 з.п. ф-лы. 1 ил.

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей и горной промышленности и может быть использовано при прострелочно-взрывных работах в скважинах, в частности для подрыва кумулятивных перфораторов, спускаемых на насосно-компрессорных трубах.

В широко известных взрывателях скважинной аппаратуры их инициирование предусмотрено механическим ударом по взрывчатому веществу (ВВ) бойка, который постоянно находится в непосредственном контакте с капсюлем-детонатором. Это представляет серьезную опасность для персонала при обращении с такими взрывателями.

Известен взрыватель скважинной аппаратуры, включающий корпус с герметичной камерой, в верхней части которой установлен поршень, а в нижней, на ее дне, выполнено гнездо меньшего диаметра, чем внутренний диаметр камеры, частично заполненное зарядом бризантного ВВ (см., например, а.с. СССР №431294, 23.02.1991).

Срабатывание взрывателя осуществляют сбрасыванием с поверхности в трубу, на которой спускают перфоратор стальной штанги, которая освобождает поршень.

Силой гидростатического давления скважинной жидкости под давлением поршень с большой скоростью движется по стволу камеры, адиабатически сжимая находящийся под ним воздух в объеме зазора, при этом воздух нагревается до температуры порядка 1000°С и заряд бризантного ВВ поджигается тепловым импульсом с последующим переходом в нормальную детонацию в замкнутом объеме.

На этом принципе работают взрыватели, широко применяемые многие годы (стреляющие головки - ГС).

Отличительная особенность таких взрывателей заключается в том, что они содержат один заряд бризантного ВВ.

Для скважин с высокой температурой применяют термостойкие бризантные ВВ типа октогена. Такие ВВ имеют пониженную склонность перехода горения в детонацию. Поэтому высоту таких зарядов принимают до 60-70 мм, а массу - до 3÷5 г, что приводит к разрушению основных частей взрывателя и исключает возможность многократного его применения.

Техническим результатом изобретения является увеличение срока службы взрывателя за счет кратного уменьшения высоты и массы применяемого ВВ с одновременным увеличением надежности срабатывания взрывателя.

Необходимый технический результат достигается тем, что взрыватель для скважинной аппаратуры, включающий корпус с осевым ступенчатым каналом, имеющим в верхней части больший диаметр, чем в нижней части, поршень, зафиксированный в осевом канале с большим диаметром в его крайнем верхнем положении, перекрыватель осевого канала, размещенный в зоне перехода осевого канала с одного диаметра на другой и образующий с поршнем в его подпоршневом пространстве герметичную камеру, заполненную газом или смесью газов, заряд ВВ, частично заполняющий нижнюю часть канала под перекрывателем, и средство расфиксации поршня, при этом взрыватель выполнен с возможностью импульсного сжатия в подпоршневом пространстве газа или смеси газов в 200-500 раз в сравнении с начальным их давлением, разогрева газа или смеси газов за счет упомянутого импульсного их сжатия до температуры на 20-40% выше температуры воспламенения заряда ВВ, среза перекрывателя в одном из нижних положений поршня, разгона срезанного фрагмента перекрывателя до скорости, обеспечивающей генерирование ударной волны в заряде ВВ, способной вызвать его детонацию и осуществление собственно детонации заряда ВВ путем сочетания с волновым воздействием на заряд ВВ теплового воздействия разогретым фрагментом перекрывателя, разогретыми газом или смесью газов и механического воздействия упомянутым фрагментом перекрывателя.

Кроме того:

в качестве заряда ВВ принят октоген или гексонитростильбен (ГНС);

над перекрывателем осевого канала размещена уплотнительная прокладка, зафиксированная в корпусе, выполненная толщиной 3-5 мм и со сквозным осевым каналом, равным внутреннему диаметру осевого канала корпуса в его нижней части, при этом объем осевого канала уплотнительной прокладки в 300 раз меньше подпоршневого объема камеры;

в качестве материала для уплотнительной прокладки принята резина или полиуретан;

камера в подпоршневом пространстве заполнена воздухом;

камера в подпоршневом пространстве заполнена горючей смесью, самовозгорающейся при ее сжатии;

камера в подпоршневом пространстве заполнена смесью кислорода и пропана;

камера в подпоршневом пространстве заполнена водородом или азотом;

под перекрывателем осевого канала установлена шайба с диаметром ее канала, равным 0,8÷0,95 диаметра осевого канала корпуса в его нижней части;

в качестве материала шайбы принята сталь;

перекрыватель выполнен в виде ступенчатого по диаметру диска, при этом ступень диска с меньшим диаметром размещена в осевом канале шайбы;

перекрыватель выполнен в виде диска из стали толщиной 0,1÷0,5 мм;

перекрыватель выполнен в виде диска из алюминиевого сплава толщиной 0,3÷1 мм;

взрыватель имеет обойму, а осевой канал корпуса с большим диаметром имеет дополнительное уширение, где размещена обойма, при этом поршень зафиксирован в обойме с возможностью его расфиксации от сбрасываемой с устья скважины штанги-груза и перемещения под действием гидростатического давления в скважине.

Схема варианта конструкции такого взрывателя для скважинной аппаратуры представлена на чертеже.

Взрыватель для скважинной аппаратуры включает корпус 1 с осевым ступенчатым каналом 2, имеющим в верхней части больший диаметр, чем в нижней части. В осевом канале с большим диаметром в его крайнем верхнем положении зафиксирован поршень 3. В зоне перехода осевого канала с одного диаметра на другой размещен перекрыватель 4 осевого канала 2. Перекрыватель 4 может быть выполнен в виде цельного диска. Однако, в ряде случаев и в зависимости от его размеров, могут наблюдаться при его срезе нежелательные деформации, искажающие динамику запланированного процесса. Поэтому перекрыватель в ряде случаев целесообразнее выполнять в виде ступенчатого по диаметру диска. При этом ступень диска с меньшим диаметром должна быть размещена в осевом канале шайбы. Ступень диска с большим диаметром должна иметь толщину, обеспечивающую возможность ее среза и она должна быть размещена в осевом канале корпуса большего диаметра. Такое выполнение перекрывателя обеспечивает его надежный срез, необходимую массу, следовательно, больший разгон, необходимую площадь (плоскость) соприкосновения (взаимодействия) с зарядом ВВ. В подпоршневом пространстве герметичная камера заполнена газом или смесью газов. В типовом случае подпоршневое пространство может быть заполнено воздухом. В других случаях подпоршневое пространство может быть заполнено горючим газом, самовозгорающимся при сжатии. Нижняя часть осевого канала 2 под перекрывателем 4 частично заполнена зарядом ВВ 5 (зарядом бризантного ВВ), например, октогеном или гексонитростильбеном (ГНС). Ниже этого заряда размещена шашка ВВ 6 исполнительного узла скважинного устройства, например перфоратора (на чертеже условно не показан). Над перекрывателем 4 может быть размещена уплотнительная прокладка 7, зафиксированная в корпусе 1 и выполненная со сквозным осевым каналом, равным внутреннему диаметру осевого канала корпуса в его нижней части. Объем осевого канала уплотнительной прокладки может быть выполнен в 200-500 раз меньше подпоршневого объема камеры. В оптимальном случае объем осевого канала уплотнительной прокладки может быть в 300 раз меньше подпоршневого объема камеры. В крайнем нижнем положении поршня 3 (оптимальном случае) весь объем сжатого газа или смеси газов будет сосредоточен в объеме осевого канала уплотнительной прокладки 7. Такое решение по концентрации сжатого газа или смеси газов в осевом канале прокладки является иллюстративным и не ограничивается только им. Может быть и другое решение. Например, поршень 3 на его нижнем торце для каких-то случаев может быть выполнен с опорами по периферии. Может быть и любое другое множество вариантов для конкретных случаев. Это относится и к выбору конкретных газов или их смесей. Под перекрывателем 4 может быть размещена опорная несущая шайба 8 с осевым каналом, несколько меньшим осевого канала корпуса в этой части корпуса. Эта шайба задает размер сечения срезаемого фрагмента перекрывателя 4, исключающего его торможение при разгоне сжатым газом в свободном пространстве осевого канала корпуса до заряда ВВ. Поршень 3 в верхней части может быть связан с обоймой 9, выполненной в виде перевернутого стакана, надетого на верхнюю часть поршня и помещенной в уширении 10 осевого канала 2 корпуса 1 против верхней части поршня 3. Обойма 9 связана с корпусом 1 срезными элементами 11, а с поршнем - опорными шариками 12, помещенными в радиальные проточки поршня и обоймы. С обоймой связан шток 13. Он выполнен с возможностью восприятия механической нагрузки от штанги-груза 14, предназначенной для сбрасывания с устья скважины. В корпусе 1 выполнены радиальные отверстия 15 для передачи гидростатического давления скважины в полость корпуса 1.

Срабатывает взрыватель следующим образом.

Штангу-груз 14 сбрасывают с устья скважины в колонну труб. При ее ударе о шток 13 происходит срез элементов 11 и смещение обоймы 9 вниз. Опорные шарики 12, которые удерживают поршень 3, выходят из его радиальных проточек и обеспечивают его расфиксацию. Поршень 3 под действием гидростатического давления, которое передается через радиальные отверстия 15 корпуса 1, движется в импульсном режиме вниз, сжимает весь объем газа или смеси газов под ним в импульсном режиме, например, до объема осевого канала в уплотнительной прокладке 7.

При этом газ или смесь газов сжимается в подпоршневом пространстве до давления, существенно превышающего гидростатическое давление в скважине за счет разгона массивного поршня гидростатическим давлением с ускорением. Даже при малом гидростатическом давлении в скважине порядка 5 МПа в конце движения поршня 3 давление сжатого газа или смеси газов может достигать более 20 МПа, что определяет степень сжатия газа или смеси газов более 200 (при условии начального состояния газа или смеси газов под атмосферным давлением). Учитывая высокую скорость движения поршня 3 (импульсный режим), газ или смесь газов при их сжатии будут греться в адиабатическом или близком к адиабатическому режимах. Расчеты показывают, что температура, например, воздуха (смеси газов) при степени сжатия 100 составит около 1400°С, а при степени сжатия 200-1900°С.

Под давлением сжатого газа или газов перекрыватель 4 срезается по контуру отверстия шайбы 8 и, разгоняясь в осевом канале 2 меньшего диаметра, ударяет по торцу заряда ВВ 5.

Параметры взрывателя выбирают (рассчитывают) из условия обеспечения импульсного сжатия газа или смеси газов до такой степени, чтобы оно обеспечивало нагрев сжимаемой среды на 20-40% выше температуры воспламенения заряда ВВ и при таком диапазоне давлений, чтобы обеспечить безотказный срез перекрывателя. При этом важным фактором является разгон нагретого срезанного фрагмента перекрывателя до скорости, достаточной для генерирования ударной волны, способной самостоятельно вызвать в заряде ВВ его детонацию.

Из условий безопасности работ (исключения необходимости подъема из скважины не сработавшего устройства) надежность срабатывания взрывателя должна быть обеспечена максимально возможной. Необходимую степень надежности срабатывания обеспечивают по данному изобретению сочетанием с волновым воздействием на заряд ВВ теплового воздействия разогретым фрагментом перекрывателя, разогретыми газом или смесью газов и механического (непосредственно ударного) воздействия упомянутым фрагментом перекрывателя. Все вышеперечисленные виды воздействия на заряд ВВ рассчитывают такими, чтобы каждый их них был способен самостоятельно вызвать детонацию ВВ. Экспериментальным образом установлено, что именно при такой конструкции устройства в сочетании с диапазоном оговоренных значений степени сжатия и нагрева газа или смеси газа, необходимой степенью форсирования давления сжатой среды в осевом канале корпуса меньшего диаметра обеспечена высокая надежность детонации (срабатывания) взрывателя.

Далее детонация передается на шашку ВВ 6 детонационной цепи исполнительного устройства, например перфоратора.

На экспериментальных образцах было установлено, что взрыватель является вполне работоспособным даже при малых гидростатических давлениях (4 МПа) в скважине.

Исследования проводились в сосуде высокого давления по предлагаемой конструктивной схеме при навеске заряда октогена 0,6 г, что в 6 раз меньше заряда ВВ, применяемого в известном устройстве. Благодаря малому весу заряда, поршень и корпус камеры сохраняли работоспособность до 12 выстрелов.

Таким образом, возбуждение детонации заряда ВВ взрывателя предусмотрено волновым воздействием и, одновременно, тепловым (от разных тел - газов и фрагмента перекрывателя) и ударным (механическим), воздействиями, рассчитанными, каждое из них, на самостоятельную детонацию заряда ВВ. При этом в конструкции устройства, при его срабатывании, каждое из воздействий автоматически сочетается друг с другом и, в действительности, по меньшей мере одно из воздействий оказывается эффективным, а другие в кратной степени повышают чувствительность заряда ВВ к его детонации. Об этом свидетельствуют результаты испытаний. Надежность срабатывания взрывателя в серии испытаний достигла 99%. В известном же устройстве, в котором инициирование предусмотрено только за счет одного вида воздействия - теплового импульса, надежность срабатывания в тех же условиях составила всего 80%.

1. Взрыватель для скважинной аппаратуры, включающий корпус с осевым ступенчатым каналом, имеющим в верхней части больший диаметр, чем в нижней части, поршень, зафиксированный в осевом канале с большим диаметром в его крайнем верхнем положении, перекрыватель осевого канала, размещенный в зоне перехода осевого канала с одного диаметра на другой и образующий с поршнем в его подпоршневом пространстве герметичную камеру, заполненную газом или смесью газов, заряд ВВ, частично заполняющий нижнюю часть канала под перекрывателем, и средство расфиксации поршня, при этом взрыватель выполнен с возможностью импульсного сжатия в подпоршневом пространстве газа или смеси газов в 200-500 раз в сравнении с начальным их давлением, разогрева газа или смеси газов за счет упомянутого импульсного их сжатия до температуры на 20-40% выше температуры воспламенения заряда ВВ, среза перекрывателя в одном из нижних положений поршня, разгона срезанного фрагмента перекрывателя до скорости, обеспечивающей генерирование ударной волны в заряде ВВ, способной вызвать его детонацию и осуществление собственно детонации заряда ВВ путем сочетания с волновым воздействием на заряд ВВ теплового воздействия разогретым фрагментом перекрывателя, разогретыми газом или смесью газов и механического воздействия упомянутым фрагментом перекрывателя.

2. Взрыватель по п.1, отличающийся тем, что в качестве заряда ВВ принят октоген или гексонитростильбен.

3. Взрыватель по п.1, отличающийся тем, что над перекрывателем осевого канала размещена уплотнительная прокладка, зафиксированная в корпусе, выполненная толщиной 3-5 мм и со сквозным осевым каналом, равным внутреннему диаметру осевого канала корпуса в его нижней части, при этом объем осевого канала уплотнительной прокладки в 300 раз меньше подпоршневого объема камеры.

4. Взрыватель по п.3, отличающийся тем, что в качестве материала для уплотнительной прокладки принята резина или полиуретан.

5. Взрыватель по п.1, отличающийся тем, что камера в подпоршневом пространстве заполнена воздухом.

6. Взрыватель по п.1, отличающийся тем, что камера в подпоршневом пространстве заполнена горючей смесью, самовозгорающейся при ее сжатии.

7. Взрыватель по п.6, отличающийся тем, что камера в подпоршневом пространстве заполнена смесью кислорода и пропана.

8. Взрыватель по п.1, отличающийся тем, что камера в подпоршневом пространстве заполнена водородом или азотом.

9. Взрыватель по п.1, отличающийся тем, что под перекрывателем осевого канала установлена шайба с диаметром ее канала, равным 0,8-0,95 диаметра осевого канала корпуса в его нижней части.

10. Взрыватель по п.9, отличающийся тем, что в качестве материала шайбы принята сталь.

11. Взрыватель по п.1, отличающийся тем, что перекрыватель выполнен в виде ступенчатого по диаметру диска, при этом ступень диска с меньшим диаметром размещена в осевом канале шайбы.

12. Взрыватель по п.1, отличающийся тем, что перекрыватель выполнен в виде диска из стали толщиной 0,1÷0,5 мм.

13. Взрыватель по п.1, отличающийся тем, что перекрыватель выполнен в виде диска из алюминиевого сплава толщиной 0,3÷1 мм.

14. Взрыватель по п.1, отличающийся тем, что он имеет обойму, а осевой канал корпуса с большим диаметром имеет дополнительное уширение, где размещена обойма, при этом поршень зафиксирован в обойме с возможностью его расфиксации от сбрасываемой с устья скважины штанги-груза и перемещения под действием гидростатического давления в скважине.