КУМУЛЯТИВНЫЙ ЗАРЯД ПЕРФОРАТОРА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК E21B43/117 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к технологии получения методом порошковой металлургии кумулятивных облицовок для кумулятивных зарядов, которые могут быть использованы в перфорационной технике при прострелочно-взрывных работах в нефтегазовых скважинах.

Задача увеличения глубины пробиваемой преграды является основной при разработке кумулятивных зарядов для решения задач перфорации нефтегазовых скважин.

Глубина пробиваемого отверстия во многом определяется качеством изготовления облицовок кумулятивного заряда, плотностью, пластичностью и микроструктурой ее материалов.

Известен кумулятивный заряд с облицовкой, изготовленной из псевдосплава медь-вольфрам (патент №2530800, Франция, МПК7 F42В 1/2).

Этот материал получают из порошков меди и вольфрама по известной технологии порошковой металлургии: смешение, прессование, спекание. Однако такая технология его получения не обеспечивает достаточной связности частиц меди и вольфрама и, как следствие, получения повышенных пластических характеристик.

Известен способ изготовления осесимметрической оболочки кумулятивного заряда (патент №2180723 МПК 7 F42В 1/036, В21Д 27/14, Россия) заключающийся в том, что при изготовлении облицовки придание ей необходимой формы осуществляют методом ротационной вытяжки, выполняемой в одну или более стадий, каждую из которых осуществляют в два этапа, отличающихся направлением вращения заготовки. После каждого этапа заготовку подвергают рекристаллизационному отжигу. Недостатками данного способа изготовления являются достаточно трудоемкая технология и сравнительно небольшой прирост глубины пробития преграды (-15%).

Известен кумулятивный заряд, имеющий кумулятивную выемку, покрытую облицовкой, внешний слой которой выполнен из порошкового композиционного материала, а внутренний слой - из меди. В качестве композиционного материала используют термитный состав. Из внутреннего медного слоя формируется кумулятивная струя, а из внешнего слоя формируется пест, который разрушается до размера частиц порошкового композиционного материала. Однако такая технология получения облицовки не обеспечивает достаточной сплошности порошковой системы, высокой плотности материала облицовки и, как следствие, получения повышенных пробивных характеристик.

Задачей данного изобретения является упрощение технология изготовления облицовки с одновременным повышением пробивного действия кумулятивного заряда посредством повышения плотности и качества изготовляемой облицовки.

Задача решается оптимизацией смесевого состава облицовки и применением технологии ее изготовления, обеспечивающей сплошность структуры и, как следствие, высокую пробивную способность при отсутствии пестообразования. Исходя из условия, что глубина пробития преграды кумулятивной струей прямо пропорциональна плотности струи, основой порошкового композиционного материала облицовки кумулятивного заряда является медно-вольфрамовая смесь, взятая в соотношении 40:60 мас.% соответственно.

Для обеспечения эффективного спекания смеси медь-вольфрам и для исключения образования песта порошковая смесь также имеет термитный состав и следующее соотношение между компонентами, мас.%:

Титан2...4Бор0,5...1Алюминий4...6Никель4...6Медно-вольфрамовая смесь в соотношении 40:60остальное.

Для обеспечения текучести представленной композиции при прессовании в смесь дополнительно вводят внутреннюю смазку - дисульфид молибдена в количестве 1 мас.%.

Процесс изготовления облицовок осуществляют следующим образом. Вначале указанную смесь порошков помещают в шаровую мельницу и осуществляют смешение в течение 2...3 часов. Затем необходимую навеску смеси помещают в пресс-форму-калибратор и формируют заготовку, уплотняя смесь усилием 1...2 т/см².

Затем форму нагревают до температуры 650...700°С. При возникновении экзотермической реакции (рост температуры) осуществляют прессование подачей усилия 3...5 т/см² и выдерживают при данных условиях 3...5 минут с последующим охлаждением.

При достижении температуры смеси выше 650°С происходит экзотермическая окислительно-восстановительная реакция, в которой в качестве горючего выступает алюминий, в качестве окислителя - двуокись титана. Титан при нагревании окисляется до двуокиси титана, двуокись титана затем вступает в окислительно-восстановительную реакцию с алюминием. Смесь сгорает при воспламенении с выделением большого количества теплоты. При экзотермической окислительно-восстановительной реакции идет восстановление металла оксида, продукты реакции кратковременно разогреваются до 850°С, что с учетом подаваемого на форму-калибратор последующего усилия прессования обеспечивает спекаемость порошковой системы, ее сплошность, высокую плотность (до 12 г/см³), точность размеров.

Возникающие в процессе реакции точечные твердые компоненты (бориды и алюминиды никеля и титана), равномерно распределенные в массе облицовки, не влияют на пробивную способность кумулятивной струи и препятствуют пестообразованию в процессе схлопывания облицовки при функционировании заряда.

Были изготовлены облицовки кумулятивных зарядов из порошковой смеси следующего состава, мас.%:

Титан - 3

Бор - 0,5

Алюминий - 5

Никель - 5

Медь-вольфрам в соотношении 40:60 - остальное

Дисульфид молибдена (сверх 100%) - 1

После смешения в шаровой мельнице в течение двух часов смесь засыпали в пресс-форму-калибратор и формировали заготовку при усилии прессования 1 т/см².

После этого пресс-форму-калибратор нагревали до 650°С и в момент начала экзотермической реакции (быстрый рост температуры) осуществляли формирование облицовки подачей на форму усилия 4 т/см².

Выдержав пресс-форму при указанном усилии в течение 5 минут, ее охлаждали и извлекали готовую облицовку.

Полученную таким образом облицовку запрессовывали с взрывчатым веществом в корпусы кумулятивных зарядов типа ЗПК73 и ЗПК105 и производили отстрел по мишени.

В качестве мишени для получения сравнительных характеристик со штатными зарядами типа ЗПК73 и ЗПК105 использовали набор дисков из стали 3.

КумулятивМасса ВВГлубина пробития, ммШтатная облицовкаПредлагаемая облицовкаЗПК7316,5100140ЗПК10524,2ПО150

Из таблицы видно, что увеличение глубины пробиваемого канала при переходе от штатной облицовки к предлагаемой составляет 20...30%.

Выход за указанные пределы содержания каждого из порошков в композиции отрицательно сказывалось на качественных характеристиках облицовки (жесткость размеров, температура начала экзотермической реакции, механическая прочность, плотность и др.).

Заявляемый способ изготовления облицовки кумулятивного заряда отличается от известного упрощенной технологией, обеспечивающей повышение пробивного действия кумулятивного заряда посредством повышения плотности и качества изготовления облицовки.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности. Обеспечивает упрощение технологии изготовления облицовки и повышение пробивного действия кумулятивного заряда. Кумулятивный заряд содержит корпус с размещенной в нем профилированной шашкой взрывчатого вещества, имеющей кумулятивную выемку, покрытую облицовкой. Облицовка изготовлена из порошковой композиции медь-вольфрам с добавлением порошков титана, бора, никеля, алюминия. Способ включает смешение порошков, прессование облицовки с последующим спеканием. Порошки смешивают в шаровой мельнице в течение 2...3 часов. Заготовку формируют методом прессования в пресс-форме-калибраторе усилием 1...2 т/см². Затем форму с заготовкой нагревают до 650...700°С - начало окислительно-восстановительной экзотермической реакции. После начала этой реакции осуществляют окончательное формирование облицовки усилием 3...5 т/см с выдержкой в течение 3...5 минут и последующим охлаждением, 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Кумулятивный заряд перфоратора, содержащий корпус с размещенной в нем профилированной шашкой взрывчатого вещества, имеющей кумулятивную выемку, покрытую облицовкой, отличающийся тем, что облицовка изготовлена из порошковой композиции медь-вольфрам с добавлением порошков титана, бора, никеля, алюминия при следующем соотношении, мас.%:

Титан2-4Бор0,5-1Алюминий4-6Никель4-6Медьвольфрамовая смесь в соотношении 40:60%остальное.