ОБЛИЦОВКА ДЛЯ КУМУЛЯТИВНОГО ЗАРЯДА Российский патент 2003 года по МПК F42B1/32 

Изобретение относится к области взрывных работ, в частности к облицовкам кумулятивных зарядов (КЗ) для промышленных работ, и может быть использовано при перфорации нефтяных и газовых скважин.

В известных аналогичных конструкциях кумулятивных зарядов широкое применение нашли заряды взрывчатых веществ (ВВ) с медными облицовками [1-2] и облицовками, изготовленными методом порошковой металлургии на основе порошков вольфрама и меди с добавлением олова, свинца, графита и др., так называемых композиционных материалов. Особенно высока эффективность применения облицовок из композиционных материалов [3].

В работе [4] предложено облицовку выполнять из эластично пластичного или пластичного полимерного материала, например каучука, полиэтилена, полипропилена, полихлорвинила, наполненного порошком металла, например меди.

Известны способы повышения пробивного действия кумулятивного заряда за счет теплового воздействия на металлическую облицовку кумулятивной выемки, осуществляемого до подрыва кумулятивного заряда и разупрочняющего материал металлической облицовки. При этом разогрев облицовки кумулятивной выемки реализуется посредством пропускания электрического тока по нагреваемому элементу, размещаемому на свободной поверхности металлической облицовки в контакте с ней при одновременном размещении теплоизолятора на обращенной к заряду ВВ поверхности металлической облицовки [5], или за счет подвода тепла к основанию металлической облицовки по ее торцевой части поверхности с помощью тепловода от источника тепловой энергии, например от двигателя противотанковой ракеты или специального генератора [6].

Перечисленные изобретения позволяют повысить эффективность работы кумулятивных зарядов исключительно за счет разупрочнения материала облицовки кумулятивной выемки, при этом тепловая энергия, введенная в облицовку, ограничена температурой разложения ВВ кумулятивного заряда (~300^oС) и составляет незначительную долю от кинетической энергии струи.

В качестве прототипа [7] выбран удлиненный кумулятивный заряд, включающий заряд ВВ с металлонаполненной облицовкой кумулятивной выемки, выполненной в виде конуса из порошкового материала, в которой в качестве наполнителя используется порошок олова (Sn) или порошки цинка (Zn) и индия (In), которые при действии на конструкционные материалы - преграды (алюминиевые сплавы, сталь) кумулятивных струй, содержащих Sn, Zn, In, приобретают дополнительную хрупкость за счет внедрения активного металла (Sn, Zn, In и др.) в разрушаемую преграду.

К недостаткам прототипа следует отнести отсутствие выделения дополнительной энергии в кумулятивной струе за счет введения в облицовку активного металла, так как главную роль в разрушении преграды играет кинетическая энергия струи.

Эффективность работы КЗ зависит от плотности материала облицовки, мощности и массы ВВ кумулятивного заряда; материала его корпуса и конфигурации облицовки, определяемые углом раствора конуса; толщиной облицовки и отношением массы облицовки к массе ВВ; радиусом расположения облицовки (в каждом сечении КЗ).

Объем выемки в преграде (породе) определяется кинетической энергией кумулятивной струи, то есть

где m - масса струи;
U - средняя скорость ее движения.

При этом тепловая составляющая энергии невелика (даже в пористых облицовках) и ею, как правило, пренебрегают.

Одной из задач, стоящей в данной области техники, является повышение пробивной способности заряда.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение энерговыделения кумулятивной струи за счет увеличения тепловой составляющей энергии, создаваемой облицовкой, что приводит к увеличению эффективности действия кумулятивного заряда.

Указанный технический результат достигается применением в КЗ облицовки, выполненной в виде конуса из порошкового материала с плотностью ρ≥4 г/см³ и удельным тепловыделением Q≥4000 КДж/кг.

В таблице (см. в конце описания) представлены характеристики испытанных кумулятивных зарядов с медной облицовкой и облицовками из пиротехнических составов (ПТС). В качестве ПТС, из которых прессовались конусные оболочки, были взяты состав Al-CuO и состав Al-Fe₂O₃/KClO₄, обладающие разными характеристиками, например, удельная теплота сгорания состава Аl-Fе₂O₃/КСlO₄ в 1,4 раза больше, чем у состава Al-CuO, a их плотности отличаются в 1,6 раза - большей плотностью обладает состав Al-CuO (ρ=4,03 г/см³).

Применение облицовки из пиротехнического состава (ПТС) позволяет добиться следующего. При детонации ВВ по облицовке идет ударная волна, за фронтом которой начинается химическое взаимодействие Аl и СuО (горение) с выделением большой энергии и разогревом продуктов горения ПТС до Т~4000 К.

Эта высокоэнергетическая облицовка с удельным тепловыделением Q≥4000 КДж/кг приобретает движение к оси КЗ, создавая кумулятивную струю, которая воздействует на преграду (породу). Но теперь уже в формуле (1) нужно учитывать и тепловую энергию (Е_т) в струе, то есть

Опыты, проведенные с облицовкой из состава Al-CuO, подтвердили повышение эффективности работы кумулятивного заряда. Так, объем выемки в преграде из стали оказался больше для КЗ с ПТС по сравнению с кумулятивным зарядом тех же габаритов, но с медной облицовкой, о чем свидетельствуют результаты опытов, представленных в таблице. Заметим при этом, что плотность облицовки из состава Al-CuO была всего лишь ρ=4,03 г/см³, а у медной облицовки - ρ=8,90 г/см³.

Большая эффективность КЗ с облицовкой кумулятивной выемки из пиротехнического состава получается за счет большего объема выемки в преграде (породе).

Секундный приход флюида к перфорированному отверстию из пористых пластов, прилегающих к обсадной колонне, выражается формулой
Q = ρWS, (3)
где ρ - плотность флюида;
W - скорость фильтрации;
S - площадь поверхности, через которую поступает флюид.

В первом приближении рассмотрим выемку в преграде в виде сферы, для которой поверхность связана с объемом V следующей формулой:

Скорость фильтрации по закону Дарси можно записать в виде

где К - проницаемость пористого тела (фунта);
μ - вязкость флюида.

Подставив в формулу (3) формулы (4) и (5), получим:

то есть количество нефти, поступающей к перфорированному отверстию, пропорционально объему в степени 2/3. Именно облицовка КЗ из ПТС обеспечивает больший объем выемки в районе перфорационного отверстия.

Таким образом, облицовка КЗ, выполненная из высокоэнергетических материалов (Q≥4000 КДж/кг), приводит к повышению эффективности его работы, к увеличению объема выемки в преграде (породе). За счет этого в породе создается более развитая поверхность, которая будет обеспечивать большую фильтрацию нефти из прилегающих слоев даже при меньшей глубине проникновения струи и ее меньшей плотности (4,03 г/см³ вместо 8,90 г/см³).

Увеличение плотности ПТС в облицовках КЗ приведет не только к увеличению объема выемки в преграде, но и приблизится по глубине проникновения к кумулятивным зарядам с облицовками из инертных материалов.

На чертеже представлен кумулятивный заряд (КЗ), поясняющий заявляемое изобретение, в котором использовались облицовки из пиротехнических составов на основе Al-CuO или Аl-Fе₂O₃/КСlO₄. КЗ имеет корпус 1, в который запрессовано ВВ (2) и конусная облицовка из пиротехнического состава. Заряд ВВ(2) инициируется электродетонатором (ЭД) (4).

В качестве примера конкретного выполнения может служить кумулятивный заряд, включающий корпус из стали высотой 39 мм, в котором размещен заряд взрывчатого вещества на основе ТЭНа с кумулятивной облицовкой, выполненной в виде конуса с углом полураствора 29^o из ПТС Al-CuO с плотностью ρ =4,03 г/см³ и удельной теплотой сгорания Q=4100 КДж/кг. Толщина облицовки составляет 2 мм, внутренний диаметр у основания конуса - 34 мм.

Работает заряд следующим образом. Детонационный импульс от ЭД(4) задействует заряд ВВ(2). При детонации заряда ВВ(2) по облицовке (3) идет ударная волна, при этом начинается горение облицовки из ПТС и ее движение к оси КЗ с созданием кумулятивной струи. За счет выделения большой энергии повышается эффективность работы КЗ и увеличивается объем выемки в преграде. Продукты горения ПТС, в том числе и за счет химической реакции Аl и СuО, приобретают температуру до Т~ 4000 К и вносят вклад в увеличение энергии кумулятивной струи.

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

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

3. Т.А. Епифанов, Л.И. Державец, Т.Г. Сердюк. Применение порошкового материала для перфорации нефтяных и газовых скважин. Порошковая металлургия, 4, с.95, 1990.

4. Е. В. Петрищев. Заряд для разрушения горных пород. Заявка на изобретение, 96106086/02, МПК 6:F 42 В 1/02, опубл. 27.05.98.

5. Боеголовка с термальным усилением взрыва. Патент США, 5155296, МПК 6: F 42 В 12/10, опубл. 13.10.92.

6. А. В. Бабкин, Н.Я. Ирьянов, В.И. Ладов, Г.Е. Маркелов, С.В. Федоров. Способ повышения пробивного действия кумулятивного заряда. Патент РФ, 2100761, МПК 6: F 42 В 12/10, опубл. 25.04.96.

7. Д.И. Мацуков, И.А. Никольский, А.Г. Пронозова, Е.Б. Свечников. Патент RU, 2045738, МПК 6: F 42 В 1/02, опубл. 10.10.95.

Изобретение относится к взрывным работам в нефтегазодобывающей промышленности. Предложена облицовка для кумулятивного заряда, выполненная в виде конуса из порошкового пиротехнического состава, плотность которого составляет ρ≥4 г/см³, а удельное тепловыделение Q≥4000 кДж/кг. Изобретение направлено на создание облицовки для кумулятивного заряда, обеспечивающей повышение энерговыделения кумулятивной струи, что приводит к увеличению эффективности работы кумулятивного заряда. 1 табл., 1 ил.

Облицовка для кумулятивного заряда, выполненная в виде конуса из порошкового пиротехнического состава, отличающаяся тем, что в качестве порошкового пиротехнического состава использован состав плотностью ρ≥4 г/см³ и удельным тепловыделением Q≥4000 КДж/кг.