КУМУЛЯТИВНЫЙ ЗАРЯД Российский патент 2003 года по МПК F42B1/02 

Изобретение относится к области взрывных работ, в частности к кумулятивным зарядам, в основном для промышленного применения, и может быть использовано для перфорации нефтяных или газовых скважин.

В настоящее время кумулятивные заряды (КЗ) [I], применяемые в нефтегазодобывающей промышленности, имеют конические облицовки, изготовленные из различных металлов, чаще всего из меди или из композиционных порошковых материалов, изготавливаемых либо холодным, либо горячим прессованием. Кумулятивные заряды включают заряды бризантного взрывчатого вещества (ВВ), корпус и средство подрыва - электродетонатор (или детонатор). Кумулятивные заряды при детонации ВВ в результате схождения конической облицовки к оси заряда образуют высокоскоростные струи, скорость которых определяется массой (толщиной) облицовки, массой заряда ВВ, углом раствора конуса.

Кумулятивные заряды имеют одностороннее действие: струя движется от вершины конуса к его основанию и встречает на пути мишень (стенка обсадной колонны), пробивает ее и грунт прискважинной зоны, создавая благоприятные условия для работы пластов и функционирования скважины.

К недостаткам кумулятивных зарядов одностороннего действия следует отнести относительно небольшую часть энергии ВВ, отбираемую облицовкой кумулятивного заряда; большие потери энергии ВВ, получающиеся за счет разлета продуктов детонации в сторону, противоположную направлению движения струи кумулятивного заряда, в том числе и при использовании тяжелого корпуса КЗ.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является взрывное устройство [2], которое содержит две осесимметричные конические облицовки, основной заряд ВВ, слой детонирующего ВВ и средство подрыва - детонатор. Основной заряд ВВ расположен между коническими облицовками, а слои детонирующего ВВ и детонаторы - внутри конических облицовок. При срабатывании детонатора и слоя детонирующего ВВ за счет "кумулятивного эффекта" происходит образование двух ударных ядер, направленных в противоположные стороны.

К недостаткам прототипа следует отнести относительно невысокую пробивную способность из-за формирования не "классических" кумулятивных струй, а ударных ядер, так как внутренние полости конических облицовок заполнены продуктами взрыва слоя детонирующего ВВ.

Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является повышение надежности и эффективности работ кумулятивных зарядов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности работы КЗ за счет создания оптимальных условий для отбора энергии облицовкой от заряда ВВ, за счет двустороннего действия КЗ - одним зарядом перфорируются одновременно два отверстия.

Технический результат достигается за счет того, что в известном кумулятивном заряде, включающем заряд взрывчатого вещества с облицовкой и средством подрыва, заряд ВВ с облицовкой выполняется в виде тела вращения со сквозным осевым каналом. Облицовка размещена на внутренней поверхности заряда ВВ, а средство его подрыва - на внешней поверхности. При этом толщина заряда ВВ (Δ), его высота (h), масса облицовки (m_об) и масса заряда ВВ (m_вв) выбираются из следующих соотношений:


Заряд ВВ может быть выполнен в виде пустотелого цилиндра с размещением средства его подрыва на середине боковой поверхности, а облицовка - на радиусе г_об=0,6 R_BB, где R_BB - радиус цилиндра.

При срабатывании средства подрыва, создающего синхронное инициирование внешней поверхности ВВ в середине цилиндра, внутрь ВВ распространяется сходящаяся детонационная волна, а к основаниям цилиндра - две расходящиеся детонационные волны. Если толщина ВВ (Δ) меньше полувысоты цилиндра
то вначале к облицовке приходит детонационная волна в середине и облицовка начинает цилиндрически сходящееся движение, а затем через время
где Д - скорость детонационной волны (м/с), детонационная волна подходит к основаниям цилиндра и после выхода ударной волны на внутреннюю поверхность облицовки начинается ее движение к оси цилиндра.

Именно время t определяет угол образующихся двух впоследствии конических облицовок, которые и являются источником кумулятивных струй, движение которых направлено в противоположные стороны вдоль оси цилиндра.

Область подрыва цилиндра разделяет фактически заряд на два кумулятивных заряда, при этом отсутствует пространство для свободного разлета продуктов детонации вдоль оси заряда.

Коэффициент отбора энергии оболочек заряда ВВ, ϕ =E_об/E_ВВ при цилиндрически сходящемся движении определяется массой облицовок и радиусом их расположения.

В процессе работы кумулятивного заряда двустороннего действия формируются два конуса с углами, которые определяются из следующей формулы:

где V_cp - средняя скорость движения облицовки, в области подрыва ВВ, начиная с момента выхода ударной волны на ее поверхность до оси цилиндра;
Д - скорость детонации ВВ;
Δ - толщина ВВ;
h - высота цилиндра.

В таблице приведены расчетные значения углов конусов, образующихся при работе КЗ для различных размеров облицовок и заряда в целом.

Расчетные значения углов конусов, образующихся при работе кумулятивного заряда
Представленные в таблице результаты по формированию конуса кумулятивной цилиндрической облицовки свидетельствуют о том, что на величину угла конуса влияет отношение скорости облицовки к скорости детонации; чем быстроходнее облицовка (V_ср), тем больший угол конуса формируется в процессе работы КЗ. На угол конуса оказывает влияние и отношение толщины ВВ (Δ) к высоте заряда (h).

Уменьшение отношения Δ/h при сохранении отношения V_ср/Д постоянным угол формирующегося конуса увеличивается и приближается к наиболее часто встречающемуся значению ~ 36^o. Так, при колебании Δ/h в пределах 0,05<Δ/h<0,15 угол (α) колеблется от 27 до 33^o.

В общем случае, задавая нужную конфигурацию поверхности заряда и оболочек, можно достичь желаемых значений углов конических оболочек, возникающих в процессе работы кумулятивного заряда с двусторонним действием.

На чертеже представлен частный случай решения задачи создания кумулятивного заряда двустороннего действия, в котором заряд ВВ представляет цилиндр 1, средство подрыва 2 размещено на середине боковой поверхности, а облицовка 3 расположена на радиусе r_об=0,6R_BB, где R_BB - радиус цилиндра.

Примером конкретного выполнения заявляемого изобретения, подтверждающим возможность его промышленного применения, может служить кумулятивный заряд, включающий заряд ВВ (ГТК-70), выполненный в виде цилиндра радиусом 20 мм, длиной 80 мм. На внутренней поверхности заряда ВВ размещена медная облицовка, толщиной 0,5 мм. Облицовка размещена на радиусе r_об=0,6252R_BB, где R_BB - радиус цилиндра. Толщина заряда ВВ (Δ), его высота (h), масса облицовки (m_об) и масса заряда ВВ (m_вв) соответственно равны 7,5, 80 мм, 27,4, 106 г.

Средство подрыва представляет собой несколько электродетонаторов, которые обеспечивают синхронный подрыв внешней цилиндрической поверхности заряда ВВ в районе его середины.

Работает заявляемое устройство следующим образом. При срабатывании средства подрыва 2, синхронно инициируется наружная поверхность заряда ВВ 1, в области его середины, внутрь ВВ распространяется сходящаяся детонационная волна, а к основаниям цилиндрического заряда ВВ 1 - две расходящиеся волны. Задействование заряда ВВ 1 синхронно работающим средством подрыва 2 на середине боковой поверхности позволяет получить два кумулятивных заряда с двумя кумулятивными воронками, направленными в противоположные стороны. Облицовка 3 движется к центру до образования двух конических облицовок, являющихся источником двух кумулятивных струй, которые более эффективны в работе КЗ перфораторов при применении их в нефтегазоносных скважинах.

Источники информации
1. Прострелочно-взрывная аппаратура. Справочник под ред. Л.Я. Фридляндера - М., Недра, 1983, с.61.

2. Патент GB 2279437, МКИ Е F 42 В 1/02, опубл. 01.04.95.

Изобретение относится к области взрывных средств, применяемых для перфорации скважин в нефтегазовой промышленности. Кумулятивный заряд содержит заряд взрывчатого вещества со сквозным осевым каналом, облицовкой и средством подрыва. Облицовка размещена на внутренней, а средство подрыва на внешней поверхности заряда. Толщина, высота, масса заряда и масса облицовки выбираются по соотношениям, приведенным в формуле изобретения. Изобретение позволяет повысить надежность и эффективность работы кумулятивного заряда. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Кумулятивный заряд, включающий заряд взрывчатого вещества с облицовкой и средством подрыва, отличающийся тем, что заряд взрывчатого вещества с облицовкой выполнены со сквозным осевым каналом, при этом облицовка размещена на внутренней поверхности заряда взрывчатого вещества, а средство его подрыва - на внешней поверхности, причем толщина заряда взрывчатого вещества (Δ), его высота (h), масса облицовки (m_об) и масса заряда взрывчатого вещества (m_вв) выбираются из следующих соотношений:


2. Кумулятивный заряд по п. 1, отличающийся тем, что заряд взрывчатого вещества представляет собой пустотелый цилиндр, при этом средство его подрыва размещено на середине боковой поверхности, а облицовка - на радиусе r_об= 0,6R_вв, где R_вв - радиус цилиндра.