Герметичний кумулятивний заряд

Герметичний кумулятивний заряд для перфорації обсадних колон нафтови х і газових свердловин, що включає оболонку, усередині якої розміщена кумулятивна виїмка і вибухова речовина, а також герметизуючу кришку, який відрізняє ться тим, що оболонка виготовлена із заготівки з автоматної сталі, отриманої гарячою деформацією зі зливків. В.Ш. (13) 40996 (11) UA піддаються розбуренню. Однак скло, добре працююче на стиск, є недостатн ьо міцним при розтягу і у момент вибуху слабко перешкоджає розкиданню вибухової речовини, не забезпечуючи належну ефективність кумулятивного заряду. Ме тою даного винаходу є створення конструкції герметичного кумулятивного заряду для перфорації обсадних колон нафтових і га зових свердловин, що забезпечує підви щення ефективності ви користання вибухової речовини при одночасному виключенні засмічення свердловини великими металевими осколками зарядів. Спроби використання різних модифі кацій чавун у для виготовлення деталей герметичних зарядів не дало результату. Іспити довели, що чавун при тиску та температурі в свердловинах (до 100 МПа і 150°С відповідно) пропускає крізь себе рідину. Сталева оболонка заряду має високу міцність і у момент вибуху пе решкоджає передчасному розкиданню ВР, що підвищує е фективність її використання. Це дає збільшення пробиваємої довжини і діаметру отвору. Ра зом з тим, необхідно, щоб застосовувана сталь при вибуху заряду руйнувалася на дрібні осколки, не засмічуючи свердловину. Розробки технології одержання таких сталей марок ПМ 11 і ПМ 12 (За готівка трубна, прутки гарячекатані, ковані, гарячепресовані із сталей з підвищеною та високою осколковістю, ТУ 14 - IV 1940 - 94, 1994), зроблені за участю авторів. Заготівка, яка виробляється за цими технічними умовами, призначалась для виготовлення деталей зарядів перфо раторів, повинних руй нуватися під час вибуху з утворенням великого числа дрібних осколків, що не засмічують свердловину і не переш (19) Винахід відноситься до галузі буравлення, зокрема, до конструкцій перфо раторів і ви бухових зарядів до них для перфо рації в нафтових і газових свердловинах. Для перфо рації обсадної колони, цементної каблучки (кільця) та гірської породи у свердловину опускають спеціальний пристрій - перфоратор, основними елементами якого є вибухові заряди. Пробиті з їхньою допомогою отвори забезпечують гідродинамічний зв'язок продуктивного шару і свердловини. У залежності від геологічних умов застосовують перфоратори різних конструкцій, що тягне за собою використання зарядів також різних конструкцій. Для безкорпусних перфораторів застосовують герметичні заряди. Оболонка (корпус), а іноді, якщо не передбачено її витягування зі свердловини, і кришка такого заряду повинні після вибуху зруйнуватися на дрібні осколки, що не закупорюють перетин свердловини. Для цього указані деталі роблять зі скла або з алюмінієвих сплавів, які при вибуху добре руйнуються, а якщо і закупорюють скважину, то піддаються розбуренню буровим інструментом. Відома конструкція герметичного кумулятивного заряду, що включає оболонку, усередині якої розташовані кумулятивна виїмка та вибухова речовина (ВР), а також герметизуючу кришку. При цьому оболонка як і герметизуюча кришка, виготовлена із крихкого неметалевого матеріала, скла або ситалу (Прострілочно-вибухова апаратура. Довідник / Під редакцією Л.Я. Фридляндера, М., Надра, 1990, стор. 75). Ці заряди і сьогодні серійно випускаються в Ро сії і використо вують ся українськими нафто виками. У зазначеній конструкції деталі заряду руйнуються вибухом на дрібні осколки, які практично не засмічують свердловину, а у разі необхідності, А ____________________ 40996 коджують підйому прострілочно-вибухової апаратури після спрацьовування. Основними методами отримання сталей, що забезпечують таку осколковість, являється легування їх елементами, утворюючими велику кількість неметалевих включень (дефектів), і одержання подовженої форми дефектів з рядковим розташуванням. Мікроструктура заготівлі на подовжніх шліфа х для дво х зразків сталі марки ПМ12 приведена на фіг.1, 2 Сталь має явно виражену текстуру і в окремих зонах рядкове розташування неметалевих включень. Окремі дефекти, що потрапили у площину зрізу мають досить довгу фор му. З мікроструктури видно, що сталь, заздалегідь розмічена концентраторами напруги, забезпечуючими при ударному навантажені розтягом руйнування по шаблону, закладено-му в структуру металу. Недоліком структури таких ста лей є відносно мала частина витягнутих де фектів і невелика кількість зон з їх рядковим розташуван ням. Це обмежує осколковість заряду так, що отримані результати можно мати застосовуючи звичайну вуглецеву сталь марки Сталь 45 при використанні спеціальної окрихчуючої тер мообробки. Це, а також дуже висока вартість цих сталей обмежують їх практичне використання. Висока вартість зв'язана з тим, що легуюча речовина, створююча дефекти (селен, сера, фосфор), у процесі виплавки сталі забруднюють футеровку металур гійної печі та розливочного ковша. Наступ не використання агрегату для виробництва якісних сталей стає можливим тільки після їхн ього очищення шляхом багаторазового промивання рідкою сталлю, що далі буде використана як низкосортна. Ціль винаходу досягнута тим, що у герметичному кумулятивному заряді, який включає оболонку, усередині котрої розміщені кумулятивна виїмка та вибухо ва речовина, а також герметизуючу кришку, відповідно до винаходу, оболонка виготовлена із заготівки з автоматної сталі, отриманої гарячою деформацією із зливків і схильна до руйнації на дрібні осколки при ударних навантаженнях. Існуючі конструкції перфораторів пред'являють різні вимоги до осколковості кришки заряду і у да ному випадку не розглядаються. Авто матні сталі були розроблені в СРСР після появи верстатів-авто матів і призначалися для масового виробництва на них деталей при високих швидкостях різання з малим зносом ріжучого інструменту, що зменшує частоту йо го заміни і відповідно час наладок. Зараз деталі з автоматних сталей широко застосовуються в автомобілебудівництві та ін. галузях у механізмах, де питомі навантаження відносно не великі (Довідник металіста, "Ме таллур гиздат", М., 1976, стор. 101 - 128.). Підвищена оброблюваність цього класу ста лей досягається в основному за рахунок великого вмісту сірки (0,15 - 0,35%). При цьому зменшується тертя між стружкою й інструментом за рахунок дії сульфі дів, що змазують, і ламкості стружки. Додатки свинцю (до 0,15%) дозволяють додатково збільшити режими різання і термін служби інструмента, оскільки створювана плівка свинцю ще більше знижує тертя і стружка ламається ще краще. Ши рокому застосуванню сірчисти х ста лей перешкоджає зниження їхніх механічних властивостей і красноломкость. Наш прогноз придатності автоматних сталей базувався на наступних положеннях. Наявність у них ве ликої кількості сірки і марганцю га рантує одержання багатьох неметалевих включень сульфі дів марганцю. Стандартна технологія виробництва на великих металур гійних підприємствах круглої заготівлі (прутків), що застосовується в металообробці, передбачає наступну послідовність дій. Після виплавки сталь розливається в ізложниці з утворенням злитків великої (декілька тонної) маси. Ме тал злитків шляхом прокатки спочатку на обжимному ста ні (блюмингу), по тім на сортових станах поступово в сотні разів збільшують свою довжину за рахунок зменшення поперечного перетину. При цьому неметалеві включення витягаються уздовж вісі прокатки. Великі включення можуть розділятися на послідовності більш дрібних, розташова них у ряд. З'являються довгі включення зі стрічковим розташуван ням. Виробництво деталей зарядів (оболонки) робиться з заготівки різанням на верстатах так, що вісь прокатки при виробництві заготівки збігається з віссю симетрії деталі. При цьому бічні поверхні оболонки виявляються разлиновані дефектами у потрібному напрямку. Дослідження застосовності та кої заготівки з автоматних сталей для виробництва оболонки кумулятивних зарядів перфоратора, де потрібна руйнація з підвищеною осколковістю проводилося на декількох представниках цього класу. Де тально вивчалася сталь марки АС 14 (ТУ 14 - 1 - 512 - 73, ТУ 14 -1 - 258 - 72), що має дуже велике поширення. Хімічний склад сталі (С 0,10 - 0,17; Mn 1,0 - 1,4; Si < 0,1; S 0,15 - 0,30; P < 0,1; Pb 0,15 - 0,30) типовий для даного класу. Отримані задовільні результати. Найкращі результати отримані при застосуванні сталі марки АС45Г2 (ТУ 14-1 - 271 - 72), що має підвищений вміст вуглецю і сірки (С 0,40 0,48; Mn 1.35 - 1,65; Si < 0,1; S 0,24 - 0,35; P < 0,04; Pb 0,15 - 0,35). У цій сталі гарна осколковість сполучається з досить високою міцністю (sВ = 00 кг/мм 2) після термообробки деталей. Вивчення застосовності здійснювалося у двох напрямках: досліджувалася мікроструктура сталі, наявність у ній витягнутих дефектів, розташованих стрічково, а потім практично перевірялася її осколковість при відстрілі зарядів у камері високого тиску, що імітує умови в свердловині. Фотографії шліфів зразків сталі АС45Г2, відібрані уздовж вісі симетрії круглої заготівлі наведені на фіг. 3 - 8. Фіг. 3-4 показує для двох зразків при збільшенні у 100 разів форму неметалевих включень, що потрапили у площину зрізу шлі фа. Добре видна витягнута фор ма і рядкове розташування практично усі х де фектів. На фіг. 5-6 показан вигляд дефектів ти х же зразків при збільшенні в 500 разів. На фіг.7-8 при різних збільшеннях після травлення показана мікрострук тура сталі, ви різаної з тер мообробленої оболонки. Структура являє собою фе ритно-перлитну суміш, розсічену стрічками неметалеви х включень. Застосовувана термообробка (гартування з межкритичного інтервалу тем ператур із наступною відпусткою) приводить до додатковому окрихчення металу. З метою перевірки впливу матеріалу оболонки заряду на осколковість, були проведені по 2 40996 рівняльні іспити зарядів. Для цього були виготовлені п'ять зарядів з оболонками із заготівки з автоматної сталі АС45Г2. отриманої обробкою тиском із злитків і п'ять зарядів тієї ж конструкції з оболонками зі сталі марки Сталь 45 (ГОСТ 1050-74) з окрихчуючою термообробкою. Для забезпечення герметичності були використа ні скляні кришки. Заряди спорядили ВР, кумуля тивною виїмкою і підірва ли їх окремими групами у спеціальній судині, що імітує умови у свердловині. Після зняття тиску і о холодження во ди у судині осколки металу ви тяга лися вручну і за до помогою магніту. Після цього їх россортували на чотири гр упи. Вид осколків після сортування наведений на фотографія х фіг. 9-10. Виявилося, що розмір максимальних осколків оболонки першої гр упи з авто матної ста лі був до 8 ,5 мм, а оболонки зі сталі 45 - 32 мм, тобто приблизно в 4 рази більше, а відсотковий вміст са мих дрібних осколків 4-й гр упи в запропонованому заряді в 2,5 ра зи більше, ніж у виготовленого зі сталі 45 (29.58% і 11,54% відповідно). У резуль таті було вста новлено, що запро понована автоматна сталь забезпечила високу ступень осколковості. Технічним результатом виготовлення оболонки із заготівлі з автоматної сталі, отриманної горячою деформацією із злитків, є досить велика схильність до руйнації на дрібні осколки при ударних навантаженнях (ви буху заряду) за рахунок наявності в ній некомпактних строчкових неметалевих включень, що є концентраторами напруг. Оболонка руйнується на велику кількість дрібних осколків. Останні, дякуючи їхн ьому малому розміру, не засмічують свердловину. Крім того, оболонка заряду, зроблена з автоматної сталі, досить міцна у порівнянні з оболонкою, виготовленою зі скла або з алюмінієвих сп лавів, і у момент вибуху перешкоджає передчасному розкиданню ВР. Це підвищує е фективність використання ВР і забезпечує збільшення довжини та діаметру отвору, що пробивається при вибуху заряду. При цьому автоматна сталь має відносно малу вартість, бо вона виготовляється на металур гійних печах, назавжди закріплених за цим процесом. Фіг. 1 Фіг. 2 3 40996 Фіг. 3 Фіг. 4 4 40996 Фіг. 5 Фіг. 6 5 40996 Фіг. 7 Фіг. 8 6 40996 Фіг. 9 Фіг. 10 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 7