Кумулятивный заряд перфоратора

Кумулятивный заряд перфоратора

Реферат

 

Использование: кумулятивный заряд перфоратора для вторичного вскрытия продуктивных пластов нефтяных и газовых скважин. Перфоратор содержит корпус с размещенной в нем профилированной шашкой взрывчатого вещества, имеющей кумулятивную выемку, покрытую облицовкой, внешний слой которой выполнен из порошкового композиционного материала, а внутренний слой - из меди. В качестве композиционного материала используют термитный состав. Из внутреннего медного слоя формируется кумулятивная струя, а из внешнего слоя формируется пест, который разрушается до размера частиц порошкового композиционного материала. При этом формируется незапестованный перфорационный канал. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для использования в прострелочно-взрывной аппаратуре для вторичного вскрытия продуктивных пластов нефтяных и газовых скважин. В настоящее время в кумулятивных зарядах перфораторов для вскрытия продуктивных пластов широко используются медные штампованные облицовки. Недостатком известных зарядов является их недостаточная пробивная способность, которая усугубляется созданием в процессе схлопывания облицовки продуктами детонации монолитного песта в виде пули большого диаметра, что приводит к закупориванию пробитого канала (20-40% случаев в зависимости от конструкции заряда и геолого-технических условий) и резкому ухудшению гидродинамической связи продуктивного пласта со скважиной. Известны технические решения, в которых сделана попытка избавиться от монолитного песта путем, например, изготовления облицовки заряда из легкоплавкого металла (висмут и его сплавы), или путем создания двухслойной облицовки, в которой внутренний слой, из которого формируется струя, выполняется из металла с высокой плотностью и пластичностью, а наружный слой - из легкоплавкого металла. Недостатками этих технических решений являются низкая пробивная способность зарядов с такими облицовками и высокая трудоемкость их изготовления. Кроме того, наличие границы раздела между слоями облицовки, существенно отличающимися своими ударно-волновыми характеристиками, приводит к разрыву этой границы в процессе формирования струи с последующим расстройством этого процесса. Известен кумулятивный заряд перфоратора, выбранный в качестве прототипа, содержащий по крайней мере профилированную шашку взрывчатого вещества (ВВ), имеющую кумулятивную выемку, покрытую облицовкой, состоящей из двух слоев, внешний из которых прилегает к кумулятивной выемке. Причем внешний слой выполнен в виде сетки из тонких узких полос, а удельный вес материала внешнего слоя больше удельного веса материала внутреннего слоя. Пpи схлопывании облицовки узкие полосы внешнего слоя разрезают образующийся пест на несколько частей. Изготовление облицовок согласно прототипу технологически трудно осуществимо, т.к. необходима высокая точность нанесения тонких полос. При малейших неточностях изготовления возникает асимметрия кумулятивной струи, а следовательно, резко уменьшается пробивная способность заряда. Кроме того отдельные части, на которые разрезается пест тяжелым материалом внешнего слоя облицовки, также в большом числе случаев закупоривают перфорационный канал. Цель изобретения повышение эффективности кумулятивного заряда перфоратора за счет обеспечения формирования незапестованного перфорационного канала, а также повышение пробивной способности кумулятивного заряда за счет увеличения эффективной длины кумулятивной струи. Поставленная цель достигается тем, что в кумулятивном заряде перфоратора внешний слой облицовки выполнен из порошкового композиционного материала, а внутренний слой из меди. В качестве порошкового материала используют термитный состав. Внутренний слой облицовки выполнен методом ротационного выдавливания. При этом внутренний слой облицовки выполнен из порошкового материала (чистая порошковая медь). Внешний слой облицовки выполнен из порошковой композиции на основе меди, содержащей, мас. медь 80, свинец 18, графит 2. При этом отношение толщин слоев облицовки в каждом сечении по ее высоте выбирают в соответствии с соотношением: где ₁ толщина внутреннего слоя облицовки; ₁ плотность материала внутреннего слоя облицовки; ₂ толщина внешнего слоя облицовки; ₂ плотность материала внешнего слоя облицовки. Сопоставление предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что данное устройство отличается от известного тем, что внешний слой облицовки выполнен из порошкового композиционного (неоднородного по составу) материала, а внутренний слой из меди. Отличие заключается также в том, что в качестве порошкового композиционного материала используют термитный состав, а внутренний слой выполняют методом ротационного выдавливания из листа или из порошкового материала. Новизна заключается также в выборе состава порошковой композиции и соотношения толщин слоев. Указанные отличия обусловливает соответствие предлагаемого технического решения критерию "новизна". Признаки, отличающие это техническое решение от прототипа, неизвестны. При этом свойства каждого отличительного признака сами по себе не обуславливают свойства всего объекта. Следовательно, признаки совокупности вступили во взаимодействие, а данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия". На чертеже представлен в разрезе общий вид кумулятивного заряда перфоратора. Кумулятивный заряд перфоратора содержит корпус 1 с размещенным в нем профилированной шашкой ВВ 2, имеющей кумулятивную выемку 3, покрытую облицовкой, состоящей из двух слоев, внешний из которых 4 прилегает к кумулятивной выемке 3. При этом внешний слой 4' выполнен из порошкового композиционного материала: термитного состава или порошковой композиции на основе меди со свинцом и графитом. Внутренний слой 5 выполнен из меди: монолитной методом ротационного выдавливания или порошковой без добавки других материалов. Соотношение толщин слоев выбирают в соответствии с вышеприведенным соотношением, обеспечивающем переход в струю материала внутреннего слоя 5, а в пест (разрушающийся до размера составляющих его частиц порошковой композиции) материала внешнего слоя 4. Устройство может содержать дополнительный детонатор 6 для инициирования профилированной шашки ВВ 2. Устройство работает следующим образом. При взрыве профилированной шашки ВВ 2 от дополнительного детонатора 6 под действием продуктов детонации происходит высокоскоростное обжатие кумулятивной облицовки. При этом из ее внутреннего медного слоя 5 формируется кумулятивная струя, а из внешнего слоя 4, выполненного из порошкового композиционного материала, формируется пест, который разрушается до размера частиц порошкового композиционного материала. При этом формируется незапестованный перфорационный канал. При использовании в качестве порошкового композиционного материала термитного состава происходит увеличение пробивной способности кумулятивного заряда перфоратора за счет увеличения эффективной длины струи. Для железо-алюминиевых, железо-магниевых и других термитов при воздействии давления выше 10-20 кбар время реализации горения термитного композиционного материала на несколько порядков ниже, чем для таких же реакций, вызванных нагреванием без давления. Т.е. при повышенных давлениях термитная реакция идет со взрывной скоростью и с выделением значительного количества энергии (0,5-1,0 ккал на 1 г термита). Выполнение внешнего слоя облицовки приводит к тому, что при детонации ВВ кумулятивного заряда этот слой подвергается воздействию повышенных температуры и давления со взрывной скоростью. За время схлопывания облицовки развивается экзотермическая реакция, при этом существенным образом реализуется свойство термитов к ускорению реакции при повышенных давлении и температуре. Выделяемое при 2000 3000^oC тепло оказывает двоякое воздействие на внутренний слой облицовки, из которого формируется кумулятивная струя, а именно: во-первых, дополнительно разогревается материал кумулятивной струи, что приводит к повышению ее пластических свойств (при температурах от -50 до +200^oC медь, из которой формируется струя, имеет наименьшую пластичность. По мере роста температуры она возрастает и достигает предельного значения при температуре плавления (1088^oC), при которой она переходит в жидкое состояние. За время формирования струи успевает произойти теплообмен между материалом, приходящим в струю, и прореагировавшим, разогретым до 3000-4000^oC термитным составом, выходящим в пест), а во-вторых, термитный состав, формирующий разрушающийся сгорающий пест, при реакции выделяет взрывообразно большое количество газообразных продуктов, что приводит к "дожиманию" струи и увеличению ее эффективной длины. В итоге за счет увеличения длины струи происходит увеличение длины перфорационного канала, а за счет занесения в перфорационный канал дополнительно энергии разрушенного и раскаленного песта из продуктов термитной реакции происходит увеличение диаметра и объема перфорационного канала. Существенным отличием предложенного технического решения и его преимуществом перед известными пирофорными составами является участие за счет энерговыделения соответственным образом подобранных материалов при струеобразовании, что приводит к увеличению пробивной способности кумулятивных зарядов. С целью увеличения пробивной способности заряда предлагается также внутренний слой облицовки изготавливать с высокой точностью. Согласно теории Крейна даже при незначительной асимметрии кумулятивной облицовки при срабатывании заряда происходит сдвиг центра формирования струи относительно первоначальной оси заряда. В связи с этим, а также вследствие изменения во времени направления начальных скоростей элементов струи происходит ее искривление, а следовательно, и снижение глубины пробития заряда. Поэтому в случае использования в качестве внутреннего слоя монолитного материала предлагается изготавливать этот слой методом ротационного выдавливания, позволяющего значительно увеличить точность облицовки (до +0,03 мм при толщине 0,8-1,0 мм) и пробивную способность. При использовании в качестве внутреннего слоя порошковой меди высокая точность изготовления достигается конструкцией пресс-инструмента. К тому же такая технология является практически безотходной, а пробивная способность заряда сохраняет высокий уровень. Согласно теории кумуляции, подобрано оптимальное соотношение толщин слоев, при которых достигается максимальный уровень пробития. При этом величина пробития 0,1 (меньшая граница) обеспечивает выход в струю только внутренней части облицовки при угле раскрытия конуса облицовки 35-50^o, а величина 0,8 (большая граница) обеспечивает выход в струю внутренней части облицовки при угле раскрытия конуса облицовки 100-120^o. Новым в этом соотношении является то, что в каждом конкретном случае выполнение облицовки с указанным соотношением толщин входящих в нее слоев позволяет направлять в струю материал внутреннего слоя облицовки, а в разрушающийся пест-материал наружного слоя. Выполнение внешнего слоя из порошковой композиции на основе меди с добавкой 18% свинца и 2 мас. графита позволяет хорошо спрессовать внешний слой 4 облицовки на внутреннем ее слое 5. Этот состав пластичен (что важно при запрессовке облицовки в ВВ) и технологичен, менее токсичен и дефицитен, чем висмут. Наличие тяжелого и легкоплавкого свинца позволяет разрушать пест, а также достигать высокой равномерности нанесения одного слоя на другой. Соотношение компонентов подобрано в результате экспериментальных исследований. Для проверки работоспособности предложенного технического решения авторы провели следующие эксперименты. Были изготовлены двухслойные порошковые облицовки, внутренний слой - порошковая медь наружный слой порошковая композиция Сu-Pb-Гр. Угол при вершине 60^o, 34 мм, масса 18 20 г. Прессование осуществлялось в два этапа: формирование внутреннего слоя из порошковой меди, а затем прессование наружного слоя и двухслойной облицовки в целом. Удельное давление прессования 3-4 т/см². Далее облицовки испытывались в зарядах ЗПК 105-7 для оценки пробивной способности. Технико-экономическая эффективность обусловливается более высоким гидродинамическим совершенством пробитых каналов за счет отсутствия запестованности и увеличения глубины пробития зарядов, что приводит к сохранению объема применяемых зарядов и спуско-подъемных операций.

Формула изобретения

1. Кумулятивный заряд перфоратора, содержащий корпус с размещенной в нем профилированной шашкой взрывчатого вещества, имеющей кумулятивную выемку, покрытую облицовкой, состоящей из двух слоев, отличающийся тем, что, с целью повышения его эффективности за счет обеспечения формирования незапестованного перфорационного канала, внешний слой облицовки выполнен из порошкового композиционного материала, а внутренний слой из меди. 2. Заряд по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения его пробивной способности за счет увеличения эффективной длины кумулятивной струи, в качестве порошкового композиционного материала используют термитный состав. 3. Заряд по пп.1, 3 и 4, отличающийся тем, что внутренний слой облицовки выполнен методом ротационного выдавливания. 4. Заряд по пп.1 и 2, отличающийся тем, что внутренний слой облицовки выполнен из порошкового материала. 5. Заряд по пп.1, 3 и 4, отличающийся тем, что в качестве порошкового композиционного материала используют порошковую композицию на основе меди, содержащую, мас. Медь 80 Свинец 18 Графит 2 6. Заряд по пп.1 5, отличающийся тем, что отношение толщины слоев облицовок в каждом сечении по ее высоте выбирают в соответствии с соотношением где ₁ толщина внутреннего слоя облицовки; ₁ плотность материала внутреннего слоя облицовки; ₂ толщина внешнего слоя облицовки; ₂ плотность материала внешнего слоя облицовки.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000