ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНЫЙ ПАТРОН ДЛЯ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ Российский патент 1998 года по МПК F42C19/08 

Изобретение относится к технике взрывных работ и может быть использовано при прострелочно-взрывных работах в нефтегазовых и водозаборных скважинах.

Воспламенительный патрон предназначен для инициирования горения зарядов их взрывчатых материалов и, в частности, пороховых газогенераторов, работающих в жидкости под давлением.

Известные воспламенительные устройства, предназначенные для этих целей [1 - 3], сложны по конструкции и опасны в обращении, так как срабатывают не только в скважинах, но и на дневной поверхности.

Известный воспламенительный патрон [4] (прототип), называемый пиротехническим и применяемый в пороховых генераторах давления, содержит тонкостенный металлический корпус (гильзу), электрововоспламенительный узел и дополнительный заряд. Недостатками этого патрона является то, что он работает только в герметичных замкнутых устройствах и для воспламенения скважинных твердотопливных или жидких зарядов требует применения промежуточных пусковых зарядов, что усложняет конструкцию газогенерирующих устройств, работающих в жидких под давлением м снижает надежность их срабатывания. Кроме того, он обладает повышенной опасностью при обращении. Особенно при зарядке пороховых генераторов давления [3 и 4], так как в случае несанкционированного попадания электротока в запальную цепь на дневной поверхности может произойти срабатывание воспламенительного узла и пороховых зарядов генератора.

Указанные недостатки устраняются тем, что известное устройство, состоящее из тонкостенного металлического корпуса, электровоспламенителя и дополнительного заряда, снабжено подвижным уплотнительным элементом, обеспечивающим герметичность корпуса, и дополнительным зарядом, выполненным в виде шашки из эластичного смесевого топлива специально подобранной рецептуры, содержащей, (мас.%):
Окислитель (перхлораты калия или аммония) - 70 - 80,
Металлическое горючее (алюминиевый порошок) - 5 - 15,
Горюче-связующее (каучук на основе термоэластопластов) - 12 - 18,
Технологические добавки - Остальное.

Подвижный уплотнительный элемент выполнен из электроизоляционного материала, обладающего упругими свойствами, например, из резины или полимерного герметика. Он предохраняет взрывчатые материалы, находящиеся в корпусе, от непосредственного контакта со скважинной жидкой средой и обеспечивает передачу гидростатического давления на них, что позволяет повысить надежность воспламенения дополнительного заряда от электровоспламенителя.

К эластичным топливам относятся смесевые твердые ракетные топлива, содержащие в качестве горючего синтетический каучук, алюминий, а в качестве окислителя - перхлораты калия, натрия, аммония [5]. Они обладают относительно высокой энергией активации термического разложения, поэтому в атмосферных условиях трудно воспламеняются. Для этого необходимо воздействие мощного теплового потока или одновременное воздействие тепловой энергии и начального давления. Эластитное топливо должно обладать вязко-упругими свойствами, что позволяет исключить потери энергии продуктов сгорания электровоспламенителя на растрескивание и разлет осколков дополнительного заряда.

Для об6спечения сохранности вязко-упругих свойств заряда при повышенных температурах, имеющих место в глубоких скважинах, в твердом топливе использован в качестве связующе-горючего компонента синтетический каучук на основе термоэластопластов, например этиленпропиленовый или дивинилстирольный каучук.

Для обеспечения надежности поджигания зарядов порохового газогенератора дополнительный заряд твердого топлива в воспламенительном патроне должен иметь температуру горения в пределах 3000 - 4000 К и содержать конденсированную фазу в продуктах сгорания, что обеспечивается содержанием алюминия в рецептурном составе топлива.

В качестве технологических добавок, необходимых для формирования шашек методом проходного прессования и литья под давлением, в состав этого топлива вводятся стеорат цинка, индустриальное масло и др. в количестве 1 - 2%.

Указанная рецептура топлива обеспечивает получение требуемых физико-механических, энергетических и технологических свойств дополнительного твердотопливного заряда, содержащегося в воспламенительном патроне.

Для обеспечения безопасности воспламенительного патрона первичный электровоспламенитель, имеющийся в нем, должен содержать весьма малое (безопасное) количество зажигательного состава и выделять при срабатывании оптимальное количество тепловой энергии, которое не способно зажечь дополнительный заряд из эластичного твердого топлива в атмосферных условиях и в тоже время должно надежно поджигать его при воздействии на патрон внешнего гидростатического давления.

Оптимальное количество тепловой энергии может быть получено, например, при использовании состава массой 0,035 ± 0,005 г, состоящего из железисто-синеродистого свинца и перхлорита калия (поровну), применяющегося в известных воспламенителях ЭВ-ПТ [4].

В предлагаемой конструкции дополнительный заряд не воспламеняется при атмосферных условиях на дневной поверхности, несмотря на срабатывание электровоспламенителя: надежное воспламенение его происходит только при одновременном воздействии теплового потока, создаваемого электровоспламенителем, и начального внешнего давления, равного P₁ ≥ 1,5 МПа, что достигается, например, при спуске устройства в скважину, заполненную водой, на глубину 150 м.

На чертеже показано устройство предлагаемой конструкции воспламенительного патрона, которое содержит тонкостенный металлический корпус (гильзу) 1, электровоспламенитель 2 с проводниками 3, дополнительный заряд из эластичного топлива 4 и подвижный уплотнительный элемент 5, изолирующий содержимое патрона от непосредственного контакта с внешней средой. Воспламенительный патрон работает следующим образом.

При подаче импульса электротока по кабелю и проводникам 3 срабатывает электровоспламенитель 2.

При этом в атмосферных условиях на дневной поверхности или при низком гидростатическом давлении (например, в скважинах) он выбрасывается из гильзы, не поджигая дополнительный заряд 4. Срабатывание электровоспламенителя не представляет собой опасности, так как он содержит состав малой мощности и в незначительном количестве. При повышенном давлении внешней среды, т.е. при P ≥ 1,5 МПа, электровоспламенитель не выбрасывается из гильзы, а продукты горения воспламенительного состава поджигают дополнительный заряд. Затем продукты горения дополнительного заряда прожигают стенки гильзы 1 и воспламеняют пороховой заряд газогенератора.

Примером исполнения корпуса 1 может служить стандартная металлическая гильза, применяемая в штатных электродетонаторах типа ЭД-8 [6].

В качестве электровоспламенителя может быть использовано изделие ЭВ-ПТ [4] или другие воспламенители, способные выдерживать при всестороннем обжатии повышенное внешнее давление без разрушения. Примером исполнения дополнительного заряда может служить шашка диаметром 5 - 6 мм из термостойкого смесевого топлива ТН18/5К с температурой горения Т = 3100 К, применяемого в аккумуляторах давления АДС-200 У [7].

Безопасность и надежность срабатывания предлагаемого воспламенительного патрона, а также работоспособность его в зарядах газогенератора из различных твердых топлив подтверждены экспериментами, результаты которых приведены в прилагаемых актах.

Источники информации
1. Заявка ФРГ N 1926551, кл. F 42 C 3/00, 16.10.80.

2. Авторское свидетельство СССР N 1118103, кл. E 21 B 43/263, 1983.

3. Краткий справочник по прострелочно-взрывным работам. Род ред. Н.Г. Григоряна. М.: Недра, 1990.

4. Фридляндер Л. Я. и др. Прострелочно-взрывная аппаратура. М.: Недра, 1990.

5. Сарнер С. Химия ракетных топлив. М.: Мир. 1969.

6. Лурье А.И. Электрическое взрывание зарядов. М.: Недра, 1977.

7. Дуванов А.М. и др. Методы интенсификации протоков в нефтяных и газовых скважинах с использованием энергии взрыва и горения ВМ. М., 1990 (Региональная и морская геофизика; геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. Обзор ВИЭМС).

Использование: прострелочно-взрывные работы в нефтегазовых и водозаборных скважинах. Сущность изобретения: в тонкостенном металлическом корпусе (гильзе) 1 размещен дополнительный заряд 4 из эластичного топлива, электровоспламенитель 2 с проводниками 3 и подвижный уплотнительный элемент 5, изолирующий содержимое патрона от непосредственного контакта с внешней средой. 1 ил.

Воспламенительный патрон для скважинных зарядов, содержащий тонкостенный металлический корпус, электровоспламенитель и дополнительный заряд, отличающийся тем, что корпус снабжен подвижным уплотнительным элементом, а дополнительный заряд выполнен из эластичного смесевого топлива, содержащего следующие компоненты, мас.%:
Перхлорат калия или перхлорат аммония - 70 - 80
Алюминиевый порошок - 5 - 15
Синтетический каучук на основе термоэластопластов - 12 - 18
Технологические добавки - Остальноед