КУМУЛЯТИВНЫЙ ЗАРЯД Российский патент 2000 года по МПК F42B1/24 

Данное изобретение относится к области кумулятивных зарядов для создания металлосодержащей струи. Более конкретно, настоящее изобретение относится к усовершенствованным кумулятивным зарядам, включающим в себя формирователь волн в форме линзы с целью изменения взрывной волны, воздействующей на гильзу в пределах данного кумулятивного заряда.

Кумулятивные заряды применяются в нефтяной и газовой промышленности, наряду с другими промышленными отраслями, для пробивания металла, цемента и других твердых материалов. В нефтяной или газовой скважине имеется металлическая обсадная колонна, скрепленная цементом со стенками скважины, обеспечивая тем самым ее конструктивную целостность. Внутри обсадной колонны находится полый носитель: перфоратор или панель, в котором размещены кумулятивные заряды. При срабатывании этих кумулятивных зарядов происходит пробивание стенки скважины, а затем также и геологического пласта в продуктивной зоне добычи углеводородов. Именно через эти отверстия, или перфорации, происходит поступление углеводородов внутрь обсадной колонны с последующей передачей на поверхность скважины.

Кумулятивные заряды обычного типа конструктивно состоят из корпуса заряда, полой конической гильзы, размещенной в этом корпусе, и бризантного взрывчатого материала, находящегося в промежутке между гильзой и корпусом. В результате срабатывания капсюля-детонатора взрывчатый материал инициируется, создавая взрывную волну. Взрывная волна разрушает гильзу, образуя металлосодержащую струю. Струя пробивает обсадную колонну скважины, а также геологический пласт, и одновременно формируется замедленно движущаяся шлейфовая масса. Свойства струи зависят при этом от формы заряда и объемов высвобождаемой энергии, а также массы и состава гильзы.

Проникающая сила струи зависит от ряда факторов, прежде всего ее скорости. Главным фактором, определяющим скорость струи, является передача кинетической энергии между детонационной волной и гильзой. Интенсивность передачи определяется количеством энергии, которое сообщается взрывной волной, характером распространения взрывной волны как функции времени и формой гильзы.

Формирователи волн были введены в состав кумулятивных зарядов с целью замедлить движение части взрывной волны и изменить направление ее распространения. Формирователи волн обычных типов, как правило, позволяют осуществлять превращение точечно инициированного детонационного фронта в периферийно инициированную детонацию внутри кумулятивного заряда. Такие формирователи волн изготавливаются преимущественно из дерева, тефлона, пластмассы, а также некоторых других неметаллических материалов и меняют направленность взрывных волн за счет частичного торможения их прохождения через неметаллический материал.

Известен кумулятивный заряд, реагирующий на воздействие детонатора созданием струи, проникающей через различные материалы, содержащий взрывчатый материал, размещенный вокруг определенной оси с возможностью его инициирования детонатором для создания взрывной волны, кумулятивную гильзу, прилегающую к взрывчатому материалу и определяющую полое пространство, причем упомянутая гильза выполнена разрушаемой по периметру полого пространства при ударном воздействии взрывной волны с образованием струи, проникающей сквозь различные материалы, линзу, прилегающую к взрывчатому материалу, предназначенную для придания определенной формы расходящейся взрывной волне до ее контактирования с гильзой. Кумулятивный заряд может быть помещен в корпус (см. DE 3436936 C1, F 42 В 1/02, 09.01. 1986).

При всей полезности формирователей волн обычных типов для формирования взрывных волн из чистых расходящихся волновых фронтов такие формирователи не в состоянии эффективно фокусировать энергию детонационной волны в месте контакта с гильзой кумулятивного заряда. С учетом вышеизложенного очевидна потребность создания усовершенствованного кумулятивного заряда, способного эффективно фокусировать взрывные волны.

Краткое изложение сущности изобретения
В настоящем изобретении предложен усовершенствованный кумулятивный заряд, создающий в ответ на срабатывание детонатора струю, проникающую сквозь различные материалы. Взрывчатый материал обладает свойством инициироваться от детонатора, образуя расходящуюся взрывную волну. Кумулятивная гильза с полостью, находящаяся рядом с взрывчатым материалом, разрушается под воздействием взрывной волны с образованием струи, проникающей сквозь различные материалы. Имеется линза, которая устанавливается в определенном положении для придания заданной формы расходящейся взрывной волне.

В других вариантах изобретения взрывчатый материал забран в корпус, который может иметь внутреннюю стенку эллиптической формы, находящуюся в контакте с взрывчатым материалом. Линза обеспечивает формирование расходящейся взрывной волне, преобразуя ее в плоскую или сходящуюся волну, причем фокальная точка линзы может быть выбрана из условия фокусировки взрывной волны в определенной точке относительно вышеупомянутой гильзы.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 иллюстрирует формирователь волны, известный из предшествующего уровня техники, находящийся внутри кумулятивного заряда, а также диаграммы направленности детонационной волны.

Фиг. 2 иллюстрирует вариант изобретения с формирователем волн линзового типа.

Фиг. 3 иллюстрирует принцип действия настоящего изобретения, демонстрируя одну из возможных форм волны, создаваемых линзой.

Фиг. 4 иллюстрирует схематичное представление линзы относительно взрывчатого материала и гильзы.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Настоящее изобретение повышает эффективность действия кумулятивного заряда за счет фокусирования расходящейся взрывной волны, которая создается взрывчатым материалом.

Фиг. 1 иллюстрирует формирователь волны 10 одного из обычных типов, находящийся внутри корпуса 12. Взрывчатый материал 14, размещенный внутри корпуса 12, первоначально удерживается гильзой 16. В предпочитаемом случае взрывчатый материал располагается в корпусе 12 вокруг определенной оси, что способствует при взрыве равномерному распределению проходящей через гильзу взрывной волны. Известный формирователь волны 10 изготавливается в основном из дерева, тефлона, пластмассы и других аналогичных материалов низкой плотности.

При срабатывании взрывчатого материала 14 от детонатора 18 химическая энергия переходит в кинетическую энергию. Формирователь волны 10 частично блокирует взрывную волну, расходящуюся от детонатора 18, и замедляет распространение взрывной волны через формирователь волны 10. Если промежуток между корпусом 12 и торцами формирователя волны 10 мал, то взрывная волна, которая распространяется вокруг формирователя волны 10, создает периферийные точки инициирования 19 у каждого из торцов формирователя волны 10. Волновые фронты, порожденные периферийными точками инициирования 19, перемещаются вдоль внутренней стенки корпуса 12, расходясь вовнутрь, по направлению к гильзе 16. Таким образом, распространение взрывных волн направляется внутренней стенкой корпуса 12, и энергия взрывных волн соответственно концентрируется. Ясно, что интерференция взрывных волн внутри корпуса 12 обусловит неравномерное распределение таких волн в поперечной плоскости гильзы 16 и что взрывные волны будут расходящимися при выходе за пределы корпуса 12.

Гильза 16 может быть изготовлена из различных материалов и иметь разные геометрические формы. В качестве материалов для изготовления гильз используется медь, алюминий, обедненный уран, вольфрам, тантал и ряд других материалов. Характерными примерами форм гильз могут служить полусфера, параболоид, эллипсоид, грушевидная форма и форма воронки с раструбом. Тип корпуса не имеет принципиального значения для рабочих характеристик кумулятивных зарядов, так как кумулятивный заряд может быть выполнен в виде простейшего сочетания бризантного взрывчатого вещества с полостью внутри и гильзы для закладки этой полости.

При разрушении гильзы 16 взрывной волной возникает металлосодержащая струя и шлейфовая масса, перемещающаяся в основном параллельно оси взрывчатого материала 14. В нефтяных и газовых скважинах такая струя, прежде чем проявится ее ударное воздействие на обсадную колонну скважины (здесь не показана), должна пройти сквозь пробку отверстия и затем через буровой раствор. Распространение струи осуществляется с высокой скоростью до 10.000 метров в секунду, в результате чего возникает большой перепад давлений, способствующий пронизыванию мишени. Обычный формирователь волны, подобный формирователю 10, способен лишь в незначительной степени изменить угол ударного воздействия взрывной волны, действующей на гильзу 16, в результате чего имеет место относительно небольшое увеличение скорости газовой струи.

В противоположность этому, настоящее изобретение позволяет обеспечить значительное изменение взрывной волны. Фиг. 2 иллюстрирует один из вариантов настоящего изобретения, при котором в корпусе 20 содержится бризантный взрывчатый материал 14, гильза 22 и формирователь волны 24. В приведенном варианте корпус 20 имеет эллиптическую внутреннюю стенку 26, которая в основном симметрична относительно продольной оси 28. В одном из вариантов настоящего изобретения внутренняя стенка 26 имеет форму эллипсоида, образованного вращением вокруг продольной оси 28, при отсутствии на внутренней стенке 26 каких-либо впадин и выступов.

Детонатор 18 расположен в закрытом конце корпуса 20, а гильза 22 предпочтительно закреплена на внутренней стенке 26 при помощи соединительного устройства по типу кольца 30. Определенная часть гильзы 22 кумулятивного заряда фокусируется в точке 31, находящейся на продольной оси 28. Получаемая в результате сходимость сообщает значительно большую скорость в имплозивной части гильзы 22, в которой происходит направленный внутрь взрыв. В различных испытаниях удавалось реализовать повышение скорости движения струи до 15% (пятнадцати процентов).

Формирователь волны 24, выполненный в форме линзы, имеет в основном плоскую поверхность 32 и выпуклую поверхность 34. В различных вариантах настоящего изобретения формирователь волны 24 может иметь форму плоско-выпуклой или выпукло-выпуклой линзы, способствующую сходимости взрывной волны. В других вариантах настоящего изобретения формирователь волны 24 может придавать расходящейся взрывной волне плоскую или любую другую заданную форму. Формирователь волны 24 предпочтительно изготавливается из материала с низкой скоростью звука, например свинца или обедненного урана. Эти материалы обладают скоростями распространения звука около одной четвертой скорости детонации, характерной для традиционных бризантных взрывчатых материалов, что обеспечивает высокое значение показателя преломления при работе формирователя волн 24 линзовой формы.

Как показано на фиг. 3, формирователь волн 24 обеспечивает фокусировку взрывной волны, полученной в результате детонации взрывчатого материала 14. Формирователь волны 24 фокусирует взрывную волну, преобразуя волну специфически расходящегося профиля в волну, форма которой показана на чертеже, либо в волну заданной формы, например, сферически сходящегося или плоского профиля. Таким образом, формирователь волн 24 может придавать взрывной волне соответствующую форму для одновременного ударного воздействия по существу на всю поверхность гильзы 22. Этот эффект позволяет увеличить общую скорость струи за счет приращения энергии, накопленной между взрывной волной и гильзой 22. Вместо того, чтобы менять направление взрывной волны, как свойственно формирователю волн 10, приведенному на фиг. 1, в настоящем изобретении осуществляется перенос фокуса взрывной волны в конкретную фокальную точку.

Волнообразующую функцию, которую выполняет настоящее изобретение, можно описать оптическим законом преломления света Снеллиуса, который связывает геометрию линзы, фокусное расстояние линзы, расстояние до объекта, расстояние до изображения и показатель преломления линзы. Если смоделировать поведение ударной волны по законам оптики, то "показатель преломления линзы" следует определить как отношение скорости детонации к скорости ударной волны (звука) материала. Если для изготовления формирователя волны 24 применяется материал с низкой скоростью ударной волны (звука), такой, например, как свинец или обедненный уран, то высокие значения показателя преломления сохраняются (за счет уменьшения знаменателя дроби, характеризующей показатель преломления линзы), что позволяет соответственно сократить до минимума толщину формирователя волны 24. Соразмерно уменьшению размеров формирователя волны 24, инертным материалом заменяется пропорционально меньшее количество взрывчатого материала 14.

На фиг. 4 представлено графическое изображение принципа действия формирователя волны 24, обеспечивающего сходящийся профиль взрывной волны. Хорошо известное уравнение "изготовления линз" имеет следующий вид:
1/u+1/v=1/f
(μ-1)(1/r₁+1/r₂) = 1/f,
а также
μ = V_D/V_S,
где u = расстояние между линзой и точкой инициирования;
v = расстояние между линзой и точкой сходимости во взрывающейся внутрь части гильзы;
f = фокусное расстояние линзы;
r₁ = радиус задней поверхности линзы (равен бесконечности при плоской задней поверхности);
r₂ = радиус передней поверхности линзы;
μ = показатель преломления линзы;
v_D = скорость распространения взрывной волны для взрывчатого материала;
v_S = скорость распространения ударной волны для взрывчатого материала при давлении детонации.

По известным значениям показателя преломления линзы μ расстояния линзы от центра кривизны гильзы (или v) и расстояния линзы от точки инициирования (или u) можно определить радиус линзы (r₂) для плоско-выпуклой линзы. Диаметр линзы равен величине отверстия корпуса в точке расположения линзы минус достаточный зазор для сохранения критического диаметра взрывчатого материала 14 со всех сторон формирователя волны 24.

Данное изобретение обеспечивает ряд важных преимуществ по сравнению с формирователями волн обычных типов. На основе кумулятивных зарядов, в которых реализовано настоящее изобретение, можно повысить скорость струи, уменьшить остаточную шлейфовую массу и формировать отверстия увеличенного диаметра с более глубоким проникновением.

Несмотря на то, что приведенное описание настоящего изобретения составлено на основе определенных предпочтительных вариантов, квалифицированным специалистам в данной области техники очевидно, что изложенные в настоящей заявке концепции настоящего изобретения можно совершенствовать и изменять, не отходя от сущности настоящего изобретения. Приведенные в настоящей заявке варианты изобретения лишь иллюстрируют концепции настоящего изобретения, поэтому их не следует интерпретировать в смысле ограничения объема настоящего изобретения.

Изобретение относится к области боеприпасов, а именно к кумулятивным зарядам, имеющим линзу из инертного материала. Кумулятивный заряд содержит взрывчатый материал, кумулятивную гильзу, создающую полое пространство. Гильза выполнена разрушаемой при ударном воздействии взрывной волны с образованием струи, проникающей сквозь различные материалы. Для придания определенной формы расходящейся взрывной волне использована линза, выполненная из материала с низкой скоростью распространения звука и высоким значением показателя преломления. Изобретение повышает эффективность действия кумулятивного заряда. 2 с. и 11 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Кумулятивный заряд, реагирующий на воздействие детонатора созданием струи, проникающей через различные материалы, содержащий взрывчатый материал, размещенный вокруг определенной оси с возможностью его инициирования детонатором для создания взрывной волны, кумулятивную гильзу, прилегающую к взрывчатому материалу и определяющую полое пространство, причем упомянутая гильза выполнена разрушаемой по периметру полого пространства при ударном воздействии взрывной волны с образованием струи, проникающей сквозь различные материалы, и линзу, прилегающую к взрывчатому материалу, предназначенную для придания определенной формы расходящейся взрывной волне до ее контактирования с гильзой, отличающийся тем, что линза выполнена из материала с низкой скоростью распространения звука, обладающего высоким значением показателя преломления. 2. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что содержит корпус для размещения в исходном состоянии взрывчатого вещества. 3. Кумулятивный заряд по п.2, отличающийся тем, что внутренняя стенка корпуса, находящаяся в контакте с взрывчатым материалом, выполнена с кривизной, обеспечивающей, в основном, плавную поверхность, симметричную относительно оси взрывчатого материала. 4. Кумулятивный заряд по п.3, отличающийся тем, что внутренняя поверхность стенки корпуса имеет в основном форму эллипсоида. 5. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что гильза имеет криволинейную внутреннюю поверхность, находящуюся в контакте с поверхностью, ограничивающей упомянутое полое пространство, симметричную относительно продольной оси, проходящей через гильзу. 6. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что линза имеет в основном плоскую поверхность, расположенную в непосредственной близости от детонатора, а также линза имеет выпуклую поверхность, противоположную упомянутой плоской поверхности. 7. Кумулятивный заряд по п.6, отличающийся тем, что выпуклая поверхность линзы имеет кривизну, вызывающую формирование взрывной волны, кривизна которой существенно равна кривизне внутренней поверхности гильзы. 8. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что линза имеет форму, вызывающую придание расходящейся взрывной волне профиля плоской волны до контактирования взрывной волны с гильзой. 9. Кумулятивный заряд, реагирующий на воздействие детонатора созданием струи, проникающей через различные материалы, содержащий корпус с внутренней поверхностью стенки, взрывчатый материал, размещенный вокруг определенной оси внутри упомянутого корпуса с возможностью инициирования детонатором для создания ударной волны, кумулятивную гильзу, прилегающую к взрывчатому материалу и определяющую полое пространство, причем упомянутая гильза выполнена разрушаемой по периметру полого пространства при ударном воздействии взрывной волны с образованием струи, проникающей сквозь различные материалы, волнообразующую линзу, размещенную внутри взрывчатого материала, предназначенную для преобразования расходящейся взрывной волны в сходящуюся взрывную волну до ее контактирования с гильзой, отличающийся тем, что линза выполнена из материала с низкой скоростью распространения звука, обладающего высоким значением показателя преломления. 10. Кумулятивный заряд по п.9, отличающийся тем, что гильза имеет форму эллипсоида, симметричного относительно оси взрывчатого материала, причем упомянутая гильза имеет вершину. 11. Кумулятивный заряд по п.10, отличающийся тем, что волнообразующая линза имеет форму, вызывающую придание расходящейся взрывной волне профиля, в основном, совпадающего с формой упомянутой эллипсоидной гильзы, при контактировании взрывной волны с упомянутой гильзой. 12. Кумулятивный заряд по п.10, отличающийся тем, что упомянутая волнообразующая линза вызывает сходимость взрывной волны для ее фокусировки в центре упомянутой гильзы. 13. Кумулятивный заряд по п.9, отличающийся тем, что поверхность внутренней стенки упомянутого корпуса имеет эллиптическую форму относительно оси взрывчатого материала.