Детонационное устройство поджига для пороховых генераторов давления

Детонационное устройство поджига для пороховых генераторов давления

Реферат

Изобретение относится к нефтегазодобывающей, горной промышленности (нефтяные, газовые, водозаборные, нагнетательные скважины), а также к области взрывного дела и предназначено для комплектования пороховых газогенераторов давления, позволяющих осуществлять разрыв и термогазохимическую обработку призабойной зоны пласта газообразными продуктами горения зарядов твердого топлива с целью интенсификации добычи полезных ископаемых: нефти, газа, в том числе из угольных пластов, металлов при добыче их методом подземного выщелачивания, воды и т.д.

Повышение производительности скважин в мировой практике осуществляется разнообразными технологическими приемами и техническими средствами. К числу наиболее эффективных и наиболее часто применяемых технологий относятся: гидравлический разрыв пласта, обработка взрывом прискважинной зоны, химическая обработка продуктивных коллекторов, обработка гидроакустическими и высокоимпульсными виброколебаниями, тепловое воздействие, обработка пороховыми генераторами давления. Наиболее универсальным, обладающим полным комплексом воздействий (механическим, химическим, физическим, тепловым) на прискважинную зону пласта является метод, основанный на горении зарядов твердого топлива в скважине в зоне обработки. Аппаратами, позволяющими осуществлять данную обработку, являются пороховые генераторы давления. Работы по созданию таких скважинных генераторов давления ведутся у нас в стране и за рубежом (главным образом - в США) где-то с начала 60-х годов прошлого столетия. При этом можно отметить, что разработки газогенератов в США с применением порохов и ракетных топлив направлены на создание корпусных аппаратов многократного использования, создающих высокоскоростные короткоимпульсные силовые нагрузки, приводящие к образованию в породе множества трещин небольшой протяженности. Разработки же газогенераторов в СССР (позднее - в РФ) были направлены главным образом, на создание бескорпусных аппаратов с применением зарядов твердых ракетных топлив в виде канальных шашек, после сгорания которых на поверхность извлекается в основном только грузонесущий геофизический кабель. Такие газогенераторы получили аббревиатуру ПГДБК - пороховой генератор давления бескорпусной. Известны ПГДБК с быстро и медленно горящими зарядами, способные соответственно образовывать множество трещин небольшой протяженности или единичные трещины большой протяженности.

Независимо от типа газогенератора одним из важнейших узлов его конструкции является устройство поджига (или система воспламенения). Для большого количества газогенераторов, применяемых на практике (как бескорпусных, так и корпусных), в состав устройства поджига входят воспламенительный или взрывной патрон, отрезок детонирующего шнура (ДШ) и канальная шашка твердого ракетного топлива, в канале которой размещен ДШ. В состав устройства поджига может входить металлическая перфорированная трубка, внутри которой размещается вся описанная выше конструкция [1÷4]. Практически аналогичное устройство воспламенения детонационного действия, но без перфорированной трубки, размещенное в каналах бронированных зарядов из смесевого твердого топлива, содержащее взрывной патрон и детонационный шнур, и входящее в конструкцию газогенератора для дегазации угольного пласта, описано в патенте [5]. Необходимо заметить, что применение воспламенительного патрона для инициирования ДШ не совсем оправдано. Согласно «Терминологии электрического взрывания», рекомендованной Межведомственной комиссией по взрывному делу (Вып. №В-248, М., ИГД им. А.А. Скочинского, 1976), с некоторыми дополнениями и изменениями в соответствии с ГОСТ на терминологию в области средств инициирования и терминологическим словарем «Горное дело» (М., Недра, 1981) зажигательный патрон предназначен для одновременного группового воспламенения пучка огнепроводных шнуров (ОШ). Для возбуждения горения одного отрезка ОШ электрическим способом предназначены электрозажигательная трубка (ЭЗТ) и электрозажигатель огнепроводного шнура (ЭЗ-ОШ). Основной же формой взрывчатого превращения ДШ является не горение, а детонация. Таким образом, штатными средствами инициирования взрывчатого превращения (взрывания) ДШ должны быть только детонаторы (электрические или неэлектрические) и взрывные патроны.

Поэтому устройство поджига детонационного типа в составе конструкции газогенератора [4], выполненного по схеме фиг.4, принято за прототип.

Устройство состоит из взрывного в защитной оболочке патрона, перфорированной трубки и заряда смесевого топлива, в канале которого размещен детонирующий шнур.

Основной недостаток принятого за прототип устройства поджига связан с использованием в его конструкции отрезка ДШ в качестве детонационного воспламенителя дополнительного заряда из смесевого твердого топлива. Детонирующий шнур - протяженный заряд высокобризантного взрывчатого вещества (ВВ), не имеющий плотной оболочки. В качестве оболочки ДШ используются льняные нити, хлопчатобумажная пряжа, целлюлозные, полиамидные, фторопластовые пленки, поливинилхлоридные и полиэтиленовые пластикаты, покрытия на основе силиконовых каучуков и т.п., практически не препятствующие в начальный момент детонации снаряжения ДШ боковому разлету продуктов детонации (ПД) и не дающие при разрушении осколков. Объем газообразных продуктов взрыва весьма невелик, а стало быть не велика и скорость радиального разлета ПД; в свою очередь это приводит к тому, что определяющим фактором воспламенения является теплоотдача от сильно нагретых продуктов взрыва к поверхности канала воспламеняемого дополнительного заряда топлива. Следствием теплового механизма детонационного воспламенения является необходимость в достаточно длительном воздействии горячих газов на топливо (период задержки воспламенения может составлять величины порядка десятков миллисекунд и более). Как результат - не очень высокая стабильность воспламенения.

Задачей заявляемого изобретения является разработка конструкции устройства поджига с весьма малыми и, что особенно важно, очень стабильными задержками воспламенения, за счет чего будет обеспечено высокое единообразие действия всего газогенератора.

Поставленная задача решается тем, что в конструкции устройства поджига, принятого за прототип, детонирующий шнур заменен на детонирующий удлиненный заряд (ДУЗ). ДУЗ представляет собой протяженный заряд высокобризантного взрывчатого вещества (чаще всего - из октогена или гексогена) высокой плотности (0,9 и выше от плотности монокристалла), заключенный в металлическую (медь, алюминий, сталь и др.) оболочку. ДУЗы могут иметь вдоль образующей оболочки кумулятивную выемку (для взрывной резки конструкций) или быть без выемки (круглого сечения). При всем многообразии конструкций, типов детонирующих удлиненных зарядов, производимых в настоящее время у нас в стране, наиболее приемлемыми для устройств поджига можно рассматривать ДУЗы (или их «полуфабрикаты» - трубы снаряженные ТСн) разработки НПП «Краснознаменец», изготавливаемые малыми сериями по ГОСТ Муромским приборостроительным заводом, а также удлиненные кумулятивные заряды (УКЗ) и удлиненные заряды (УЗ) разработки Военной академии им. Ф.Э. Дзержинского, выпускаемые по ТУ. Основной тип ВВ, используемого в ДУЗах (ТСн) - октоген; в УКЗ и УЗ - гексоген. Справедливости ради надо отметить, что октоген более термостойкое ВВ, чем гексоген, что необходимо учитывать при работе газогенераторов в скважинах в условиях повышенных температур и гидростатических давлений. Принципиально возможно снаряжать ДУЗы и УКЗ (УЗ) более термостойкими ВВ - такими, как НТФА, ГНДС, ГНС. В качестве материалов оболочек удлиненных зарядов (по ГОСТ и по ТУ) используется медь и алюминий. Изготавливаемые по ГОСТу ДУЗы поставляются с наклеенными на торцы колпачками, снаряженными ВВ. Они выполняют две функции одновременно: усиливают инициирующий импульс от средства инициирования и герметизируют торцы ДУЗа, что также немало важно при работе газогенератора в среде скважинной жидкости.

Воспламенение заряда топлива (дополнительного заряда) при детонации ДУЗа в канале шашки происходит не по тепловому (как в случае с ДШ) механизму, а по ударному механизму. Ведущим фактором, определяющим динамику воспламенения, является ударноволновой разогрев топлива с поверхности канала под действием высокоскоростных металлических осколков оболочки ДУЗа. Ударные давления (давления, возникающие при ударе осколка оболочки ДУЗ по топливу) превосходят так называемые критические давления, при которых гарантируется возбуждение в топливе взрывчатого превращения в форме горения. Кроме того, ударные давления, создаваемые осколками ДУЗ в любом смесевом твердом топливе, по крайней мере, на два порядка выше давлений: так называемого квазистатического, создаваемого продуктами детонации ДУЗ, и давления, создаваемого в канале шашки воздушной ударной волной. Такая ситуация реализуется, как показывают результаты прямых экспериментов, при зазорах между ДУЗ и сводом топливной шашки, составляющих 5÷8 мм. При очень малых зазорах имеет место тенденция к выравниванию величин всех трех отмеченных выше давлений.

В результате реализации ударного механизма воспламенения топлива задержки воспламенения оказываются весьма малыми (составляют десятые либо сотые доли миллисекунд) и очень стабильными; за счет этого обеспечивается высокое единообразие действия устройства поджига и газогенератора в целом.

Другой технический результат, который может быть получен при использовании предложенного технического решения, заключается в существенном снижении массы (навески) ВВ в детонационном воспламенителе - ДУЗе по сравнению с ДШ, поскольку в последнем снаряжение имеет плотность, близкую к начальной (только шнуры марок ДШТТ снаряжают таблетированным ВВ; при этом таблетки имеют существенные геометрические размеры), а в ДУЗе плотность ВВ близка, как уже отмечалось, к плотности монокристалла. Кроме того, ВВ в случае применения ДУЗ в качестве воспламенителя необходимо, главным образом, только для разрушения металлической оболочки заряда и метания образующихся осколков, а не для разогрева и воспламенения топливной шашки, как в случае с ДШ. Излишняя мощность ДУЗ даже вредна, так как может вызвать дробление дополнительного заряда топлива на множественные фрагменты и привести к конвективному горению его (вместо послойного). Оценочные расчеты показывают, что замена ДШ в устройстве поджига на ДУЗ приводит к снижению навески ВВ а аппарате в 1,5÷2 раза.

Предлагаемое устройство поджига предусматривает и неэлектрические способы инициирования детонации в ДУЗе. Так, например, вместо взрывного патрона (1) может быть с успехом использован механический термостойкий детонатор типа МДТ-260 разработки РФЯЦ-ВНИИ ЭФ, не содержащий инициирующих ВВ. Штатно он предназначен для возбуждения детонации взрывной цепи кумулятивных перфораторов и торпед, спускаемых на насосно-компрессорных трубах в нефтяные и газовые скважины с температурой до 260°C. Устанавливается в герметичной полости взрывной головки и приводится в действие механическим ударом стального поршня, разгоняемого давлением скважинной жидкости.

Особенностями механических детонаторов типа МДТ-260 являются:

- нечувствительность к блуждающим токам, электромагнитным наводкам и разрядам статического электричества;

- безопасность при квазистатическом нагружении и падении на жесткое основание;

- невозбуждение детонации при несанкционированном механическом ударе и при пожаре.

Таким образом, при замене в конструкции устройства поджига взрывного патрона на механический детонатор резко повышается безопасность ведения работ на скважине. Кроме того, отпадает необходимость в использовании весьма дорогостоящего геофизического кабеля, на котором опускают газогенератор до прискважинной зоны пласта. Он может быть успешно заменен, например, стальным тросом или канатом. Приборы взрывания также не нужны; затраты на содержание бригады высококвалифицированных взрывников будут существенно снижены.

Заявленное техническое решение отличается от прототипа наличием ряда новых существенных признаков. В конструкции устройства поджига ДШ, играющий роль детонационного воспламенителя, заменен на ДУЗ; взрывной патрон электрического типа с инициирующим ВВ заменен на механический детонатор без инициирующего ВВ. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию «Новизна».

В научно-технической литературе не обнаружено решений с такими существенными признаками, следовательно, заявленное решение соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Заявленное устройство содержит стандартные элементы и изделия из области взрывного дела, следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная значимость». Схематично конструкция предлагаемого устройства показана на рисунке, где 1 - взрывной патрон или механический детонатор; 2 - ДУЗ с установленным на торцы усилительными колпачками, снаряженными ВВ; 3 - шашка дополнительного заряда смесевого твердого топлива; 4 - перфорированная металлическая трубка.

Принцип действия предлагаемого устройства достаточно прост и понятен из рисунка. При подаче электрического сигнала на электродетонатор взрывного патрона (1) или при механическом ударе стального поршня, разгоняемого давлением скважинной жидкости (для механического детонатора) последний срабатывает и через колпачок возбуждает детонацию в ДУЗе (2) со стороны примыкающего к взрывному патрону (детонатору) торца. При детонации ДУЗ (2) образуются высокоскоростные осколки его металлической оболочки (и колпачков тоже), а также газообразные продукты детонации с высокой температурой и воздушная ударная волна в канале топливной шашки дополнительного заряда (3), на оси которого размещался ДУЗ. При ударе осколков по стенке канала дополнительного заряда (3) в топливе возникают ударные давления, существенно превосходящие так называемые критические значения, необходимые для воспламенения данного типа топлива. Одновременно в дополнительном заряде (3) возникают давления, создаваемые продуктами детонации снаряжения ДУЗ и воздушной ударной волной, которые также способствуют воспламенению дополнительного заряда (3). Однако решающий вклад в процесс воспламенения вносят осколки оболочки ДУЗ, поскольку ударные давления, как уже отмечалось, не менее чем на два порядка превосходят давления, создаваемые ПД и воздушной ударной волной. Через отверстия в перфорированной трубке (4) дополнительный заряд (3) поджигает воспламенительный заряд газогенератора (на рисунке не показан), в канале которого размещено заявляемое устройство поджига.

Положительный эффект от применения предложенного устройства состоит в том, что замена ДШ на ДУЗ существенно снижает задержки воспламенения топливной шашки дополнительного заряда и делает их очень стабильными, за счет чего обеспечивается высокое единообразие действия газогенератора в целом. Предложенное устройство позволяет также значительно снизить навеску ВВ в аппарате, резко повысить безопасность ведения взрывных работ на скважине и снизить затраты на них.

Источники информации

1. Haney B., Cuthill D. Technikal review of the high energy gas stimulation technigue. Computalog Ltd., 1996.

2. Пат. 2018508 Российская Федерация, МПК⁷ C06, C5/00. Твердотопливный скважинный газогенератор / Крощенко В.Д., Колясов С.М., Павлов В.И., Челышев В.П.; заявитель и патентообладатель Всесоюз. научно-исслед. и проектно-конструктор. ин-т по взрывным методам геофизич. разведки. - №4800099/23; заявл. 02.01.90; опубл. 30.08.94, Бюл. №16.

3. Пат. 2047744 Российская Федерация, МПК⁷ C1.6, E21B 43/11, 43/26. Устройство для воздействия на пласт / Гайворонский И.Н., Крощенко В.Д.; заявитель и патентообладатель Всерос. научно-исслед и проектно-конструктор. ин-т по использованию энергии взрыва в геофизике. - №5033540/03; заявл. 23.03.92; опубл. 10.11.95; Бюл. №31.

4. Пат. 2175059 Российская Федерация, МПК⁷ Е21В 43/263. Газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин / Крощенко В.Д., Грибанов Н.И.. Гаворонский И.Н. и др.; заявитель и патентообладатель Всерос. научно-исслед. и проектно-конструктор. ин-т по использованию энергии взрыва в геофизике; Федеральный научно-производ. Центр «Алтай». - №99121133/03; заявл; 06.10.99; опубл. 20.10.01; Бюл. №29.

5. Пат. 2401385 Российская Федерация, МПК⁷ E21F 7/00, E21B 43/263. Газогенератор на твердом топливе для дегазации угольного пласта / Шилов А.А., Грибанов Н.И., Агарков А.В. и др.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственная компания «ТехСервис»». - №2008133398/03; заявл. 15.08.08; опубл. 10.10.10; Бюл. №28.

1. Детонационное устройство поджига для пороховых генераторов давления, включающее взрывной в защитной оболочке патрон, перфорированную металлическую трубку и дополнительный заряд из смесевого твердого топлива, отличающееся тем, что вдоль оси канала дополнительного заряда размещен детонирующий удлиненный заряд высокобризантного взрывчатого вещества в металлической оболочке с плотно посаженными на его торцы герметизирующими и одновременно усилительными колпачками, снаряженными взрывчатым веществом, причем детонирующий удлиненный заряд установлен так, чтобы между его оболочкой и сводом шашки дополнительного заряда был выдержан зазор.

2. Детонационное устройство по п.1, отличающееся тем, что взрывной патрон выполнен в виде безопасного механического термостойкого детонатора, не содержащего инициирующего взрывчатого вещества.