ПАТРОН ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОДЫ Российский патент 2013 года по МПК F42C3/00 F42D3/04 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к породоразрушающему патрону такого типа, который использует взрывной заряд или энергетический состав для создания газов высокого давления, используемых для разрушения породы.

[0002] Энергетический состав, благодаря своему химическому составу и физическим характеристикам, при инициировании не взрывается, а быстро сгорает (быстро вспыхивает), и при этом необходимо локализовать полученную волну давления таким образом, чтобы дать возможность давлению возрасти до величин, разрушающих породу.

[0003] Если энергетический состав надежно изолирован внутри корпуса патрона, то возрастание высокого давления происходит внутри корпуса и разрывает корпус. Если этот процесс происходит из-за случайного инициирования указанного состава, то, в зависимости от обстоятельств, это может привести к травмированию персонала или повреждению оборудования. Еще одним фактором является наличие строгих правил, предъявляемых к хранению и транспортировке патрона такого типа.

[0004] По меньшей мере по вышеизложенным причинам необходимо, чтобы породоразрушающий мог патрон вырабатывать максимальное давление, только если он находится в рабочей среде. Безопасность патрона благодаря этому увеличивается, а проблемы транспортировки и хранения значительно уменьшаются.

[0005] Задачей изобретения является предоставить породоразрушающий патрон, в котором учтены вышеупомянутые требования.

[0006] В патенте США №3765331 описан детонатор, работающий с использованием воды, в котором поршень непосредственно воздействует на емкость, заполненную водой, для инициирования запала. Давление, воздействующее на взрыватель, напрямую зависит от площади поршня, что не всегда является желательным.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Изобретение представляет патрон для разрушения породы, содержащий трубчатый корпус в котором выполнены: первая секция; первый энергетический состав, расположенный внутри первой секции; запал, открытый воздействию первого энергетического состава; вторая секция внутри трубчатого компонента; ударник, расположенный внутри трубчатого компонента и выполненный с возможностью перемещения под действием силы взрыва к запалу, второй энергетический состав, расположенный внутри второй секции; рабочий орган и детонатор, выполненный с возможностью инициирования второго энергетического состава,

отличающийся тем, что рабочий орган имеет площадь, уступающую площади поперечного сечения ударника, и выполнен с возможностью перемещения, при перемещении ударника, к запалу, выполненному с возможностью инициирования рабочим органом только при заполненном жидкостью объеме, который ограничен по меньшей мере частично поверхностями рабочего органа и запала.

[0008] Предпочтительно, рабочий орган образует часть второй секции.

[0009] Предпочтительно, удерживаемая жидкость замкнута в объеме, который ограничен по меньшей мере частично поверхностями детонатора и запала.

[0010] Рабочий орган может быть выполнен с возможностью перемещения только тогда, когда второй энергетический состав создает внутри второй секции давление, превышающее заранее установленный минимум. Эта характеристика может быть достигнута посредством удержания рабочего органа в положении разрушающимся фиксатором или разрушающимися фиксаторами.

[0011] Предпочтительно, патрон выполнен с возможностью образования в жидкости волны давления после инициирования второго энергетического состава, которая действует как удерживающий механизм по меньшей мере вокруг всей первой секции, при воспламенении первого энергетического состава.

[0012] Рабочий орган может быть любого подходящего вида и предпочтительно представляет собой ударник, выполненный с возможностью перемещаться из второй секции в направлении первой секции, или же составляет часть такого ударника.

[0013] Рабочий орган служит для передачи усилия и воздействует им на запал. Это достигается через жидкую среду, как правило воду, которую удерживают в объеме между рабочим органом и запалом. Поскольку вода является несжимаемой, возможна весьма эффективная передача усилия от рабочего органа запалу. Тем не менее, важно обеспечить надежное удержание воды между рабочим органом и запалом, так как если вода выйдет из этого объема, то давление воды не сможет быть увеличено в достаточной мере. Для решения данной задачи рабочий орган должен образовывать ограждение над запалом. Рабочий орган, например, может непосредственно взаимодействовать с наружной частью запала для образования замкнутого объема, удерживающего воду. В альтернативном варианте, рабочий орган взаимодействует с поверхностью, расположенной вокруг запала. Эта поверхность не обязательно составляет часть запала. В любом из случаев рабочий орган должен все равно обладать возможностью перемещаться к запалу для увеличения давления и, следовательно, силы, воздействующей на запал. Таким образом, должна быть обеспечена степень относительного перемещения между рабочим органом и запалом. Например, запал и рабочий орган могут содержать взаимодополняющие формованные детали, выполненные с возможностью относительного перемещения в некоторой степени и расположенные таким образом, чтобы удерживать жидкость между рабочим органом, и запалом. Эти формованные детали могут быть выполнены по типу поршня и цилиндра.

[0014] В альтернативном варианте, рабочий орган может содержать наконечник, который способен деформироваться или поддаваться воздействию, когда он ударяет о поверхность вокруг запала или при ударе о сам запал, таким образом, что между рабочим органом и запалом может происходить относительное перемещение, но только без какого-либо значительного выхода жидкости, расположенной между этими компонентами. В альтернативном варианте реализации изобретения, поверхность, которая испытывает удар от рабочего органа, может быть, в дополнение к аналогичным свойствам рабочего органа, деформируемой или разрушаемой.

[0015] Второй энергетический состав, когда он инициирован, может воздействовать на довольно большую поверхность, которая, в свою очередь, воздействует на рабочий орган. Рабочий орган может составлять одно целое с этой поверхностью или иным образом находиться во взаимодействии с ней. А рабочий орган может содержать относительно небольшую область, обращенную к запалу. Давление на рабочем органе возрастает в соответствии с отношением площади указанной большой поверхности к площади рабочего органа. Это высокое давление обеспечивает надежное инициирование запала.

[0016] Патрон может содержать трубчатую структуру или корпус, в котором образованы первая и вторая секции. Между запалом и рабочим органом может быть образована полость, и может быть образовано по меньшей мере одно отверстие в стенке этой структуры для размещения внутреннего пространства этой полости, сообщающегося с жидкостью, которая окружает указанную структуру, когда патрон погружен в жидкость.

[0017] Первая секция может быть больше, чем вторая секция, так что количество первого энергетического состава больше, чем количество второго энергетического состава.

[0018] Трубчатая структура может содержать относительно тонкую боковую стенку для того, чтобы обеспечить по меньшей мере максимальный объем первой секции.

[0019] Породоразрушающий патрон может содержать электрически управляемый механизм для поджигания указанного детонатора.

[0020] Конструкция и работа патрона таковы, что если он расположен в рабочей среде, например в заполненной водой скважине в теле породы, то воспламенение второго энергетического состава приводит к двум последствиям, а именно, к толканию рабочего органа к запалу с инициированием первого энергетического состава и к выталкиванию крышки с трубчатой структуры в воду, вследствие чего образуется волна давления, которая окружает по меньшей мере первую секцию и держит ее в себе во время инициирования первого энергетического состава.

[0021] Патрон может содержать антенну для подачи входного сигнала или питания электрически управляемому механизму для инициирования детонатора. Антенна может быть катушкой с одной или несколькими обмотками. Обмотки могут быть расположены внутри защищенного участка и проходить вокруг трубчатой структуры патрона или его части.

[0022] Изобретение также представляет способ инициирования первого энергетического состава, согласно которому:

(a) удерживают количество первого энергетического состава в секции,

(b) располагают запал для указанного первого энергетического состава,

(c) устанавливают указанную секцию в скважину,

(d) окружают указанную секцию, расположенную в скважине, водой,

(e) воспламеняют второй энергетический состав в воде таким образом, чтобы толкнуть рабочий орган к запалу,

(f) удерживают некоторое количество воды в объеме, который по меньшей мере частично расположен между рабочим органом и запалом, и

(g) используют эту удерживаемую воду для передачи усилия от рабочего органа к запалу, для того, чтобы поджечь запал и, таким образом, инициировать первый энергетический состав.

[0023] Второй энергетический состав может быть использован для создания в воде волны давления, удерживающей первый энергетический состав во время его инициирования.

[0024] Количество второго энергетического состава относительно невелико по сравнению с количеством первого энергетического состава, с типичным соотношением порядка 1:20. На практике это означает, что если второй энергетический состав инициирован непреднамеренно, происходит лишь небольшой выброс энергии. В нормальных условиях это не всегда опасно или разрушительно. С другой стороны, когда инициирован первый энергетический состав, выделяется существенно большее количество энергии. Это может произойти только тогда, когда патрон погружен в жидкость, и в результате эффективно разрушает породу, в которой образована скважина.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0025] Изобретение далее описано посредством примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фигуре 1 показано сечение патрона для разрушения породы в соответствии с изобретением, в нерабочем режиме;

на фигуре 2 показана часть патрона, показанного на фигуре 1, повернутая на 90° по отношению к фигуре 1, в увеличенном масштабе;

на фигурах 3 и 4 показан соответствующий фигурам 1 и 2 патрон в рабочем режиме и

на фигуре 5 показана предпочтительная компоновка размещения в патроне запала/рабочего органа.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА РЕАЛИЗАЦИИ

[0026] Фигура 1 прилагаемых чертежей иллюстрирует патрон 10 в соответствии с изобретением. Патрон содержит трубчатую структуру или корпус 12, в котором образована первая секция 16. Первый энергетический состав 18, также называемый в этом описании "основной заряд", заполняет первую секцию.

[0027] Первая секция содержит сформованные заодно целое боковую стенку 20 и торцевую стенку 22. Горловина 24, ведущая внутрь этой секции и расположенная противоположно торцевой стенке 22, плотно закрыта заглушкой 26 на одном конце трубчатого компонента 28. Запал 30, в данном случае в виде капсюля центрального боя с наковальней, расположен в центре отверстия 26A в заглушке и водонепроницаемым образом взаимодействует с заглушкой, открытой для первого энергетического состава. Запал содержит корпус 32, закрытый крышкой 32A, которая содержит расширяющийся наружу выступ 32B и центральную накладку 32C, которая расположена напротив наковальни 32D. Выступ 32B опирается на обод отверстия 26A.

[0028] Крышка 34 содержит наружную резьбу 36 (см. также фигуру 2), посредством которой она взаимодействует с взаимодополняющей резьбой 38, расположенной на внутренней поверхности трубчатого компонента. Формованные детали 40 на наружной поверхности 42 позволяют использовать механический инструмент для обеспечения взаимодействия крышки с трубчатым компонентом.

[0029] Ударник 44, выполненный в форме неглубокого стакана, расположен в трубчатом компоненте 28. Ударник содержит центральную основу 46 с расположенным по центру ее наружной поверхности вертикальным круговым выступом 48, который размещен непосредственно напротив запала 30. Втулка 50 ударника находится в тесном контакте с противоположной внутренней поверхностью трубчатого компонента 28. Как ясно показано на Фигуре 2, на конце втулки, удаленном от основы, выполнена часть 52 уменьшенной толщины, которая оканчивается в небольшом выступающим наружу выступе 54. Этот выступ плотно взаимодействует с небольшим выступом 56, расположенном на внутренней поверхности трубчатого компонента. Крышка 34, к концу которой непосредственно примыкает часть 52 уменьшенной толщины, содержит область 58, также уменьшенной толщины. Эта область перекрывается частью 52.

[0030] Довольно большая полость 60 образована между заглушкой 26 и основой 46. Расположенные в стене трубчатого компонента 28 напротив друг друга отверстия 62 и 64 обеспечивают беспрепятственное перетекание газа и жидкости между полостью и окружающей средой.

[0031] Заглушка 26 закреплена с боковой стенкой 20 в горловине 24 посредством фрикционной сварки, выполняемой при вращении компонентов относительно друг друга. Это также обеспечивает водонепроницаемость соединения.

[0032] Вторая секция 70 образована в сборке трубчатого компонента 28, крышки 34 и ударника 44. Электрическая цепь 72 расположена во второй секции и окружена подходящим герметизирующим веществом 74. Головка 76 детонатора, которая соединена с электрической цепью 72, проходит от герметизирующего вещества в часть 78 второй секции, которая заполнена вторым энергетическим составом 80, также называемый в этом описании "инициирующий заряд".

[0033] Герметизирующее вещество защищает электронные компоненты в цепи 72. Технологии управления, которые используют для работы цепи 72, не ограничены ни в каком отношении, но, например, они могут быть изготовлены по технологии, раскрытой в описании заявки на патент ЮАР №2007/08012, содержание которой включено в настоящее описание. Цепь этого типа не содержит установленный источник питания, например в виде батареи. Необходимое питание для работы цепи и данные для контроля ее работы передают с использованием индуктивных технологий. В соответствии с предпочтительными признаками изобретения, вокруг задней части 84 крышки 34 (части, смежной с резьбой 36), наматывают индуктивную катушку 82, которая состоит из обмоток. Трубчатый компонент 28 содержит тонкую часть 84 стенки, и этот конструктивный признак задает полость 86, в которой катушка находится в безопасном и защищенном состоянии.

[0034] Патрон 10, в соответствии с вышеупомянутой задачей, предназначен для достижения полного давления после поджигания основного заряда, только если он погружен в заполненную водой скважину в теле породы. Патрон остается относительно безопасным во время хранения, транспортировки и обращения с ним.

[0035] Основной заряд, когда он должным образом инициирован, способен разрушить породу. Инициирующий заряд 80 имеет две основные функции. Во-первых, когда патрон погружают в заполненную водой скважину в теле породы, воспламенение инициирующего заряда создает в воде импульс давления, способный инициировать запал, как будет описано ниже. Во-вторых, импульс давления, образованный инициирующим зарядом, удерживает основной заряд в воде, чтобы создать ограниченную среду, в которой основной заряд может правильно и эффективно быстро сгорать и вследствие этого образовать энергетический импульс необходимой формы и с уровнем энергии достаточными, чтобы привести к разрушению породы.

[0036] Импульс давления, образованный инициирующим зарядом, должен быть сфокусирован на запале для того, чтобы запал был инициирован надежно и своевременно. Это достигается, в соответствии с тем, как показано на фигурах 3 и 4: ударник 44 толкают в направлении запала за счет усилия, развитого инициирующим зарядом. Ударник изначально работает как часть заглушки с инициирующим зарядом. Однако когда головка 76 детонатора зажигается цепью 72, в большинстве случаев в соответствии с методами, раскрытыми в описании заявки на патент ЮАР №2007/08012, инициирующий заряд 80 воспламеняется. Давление возрастает внутри части 78 второй секции, и когда результирующее усилие давления превышает заранее установленный уровень, выступ 54 разрушается сдвигом. Ударник тем самым получает возможность перемещаться в направлении запала. Когда ударник своим вертикальным круговым выступом 48 достигнет центральной накладки 32C запала, ведущий конец кругового выступа упрется в выступ 32B. Вода окажется зажатой в объеме 94, ограниченном основанием 46 и накладкой 32C. Эта вода, которая не может быстро выйти из объема 94, является несжимаемой, а так как ударник продолжает движение в сторону запала, кинетическая энергия ударника и давление во второй секции 70 относительно большого диаметра преобразуются в механическую силу, которая воздействует через воду в объеме 94 на накладку 32C. Накладка деформируется, или, в ином случае, скользит внутрь корпуса 32 и под действием этой силы, прижимается к наковальне 32D. В альтернативном процессе крышка 32A, которая с помощью трения прикреплена к корпусу 32, скользит пока не вступит в контакт с наковальней 32D. Внутренняя область запала подвергается давлению, и чувствительный материал, расположенный между наковальней и крышкой, таким образом инициируется в соответствии с эффектами, известными в данной области.

[0037] Из предшествующего описания видно, что вертикальный круговой выступ 48 на ударнике по сути может быть приравнен к цилиндру, который перемещается к накладке 32C запала, которая опять же по сути можно рассматривать как поршень. Так, в одном варианте реализации изобретения предусматривается, что выступ 48 может в большей или в меньшей степени окружать накладку 32C. При альтернативной компоновке, не смотря на то, что ведущий конец выступа 48 деформируется или разрушается, это происходит таким образом, что объем 94 остается замкнутым. Значительные силы, которые преобладают, повышают эффективность уплотнения, и вода не может вырваться из объема в каком-либо значимом количестве. Тот же эффект наблюдается, например, когда ведущий конец выступа 48 ударяет по поверхности накладки 32C или в непосредственной близости от нее, обеспечивая возможность ее деформации или прогиба таким образом, что это позволяет избежать выхода сколь-нибудь значимого количества воды из объема 94.

[0038] Фигура 5 аналогична фигуре 2 и показывает предпочтительное взаиморасположение рабочий орган/запал, когда выступ 32B является частью корпуса 32, а крышка 32C сформирована отдельно и представляет собой чашеобразный поршень внутри корпуса. Таким образом, когда выступ 48 рабочего органа ударяет выступ 32B, то практически вся сила от объема 94 переносится на крышку, которая тем самым прижимается к наковальне.

[0039] Эти различные эффекты или процессы могут быть использованы альтернативно или в любом подходящем сочетании, обеспечивающем эффективную передачу полученной силы к запалу.

[0040] Другим фактором, который приводит к созданию более высокого давления внутри запала и, следовательно, обеспечивает эффективное и надежное инициирование запала заряда, является то, что диаметр ударника 44 значительно больше, чем диаметр кругового выступа 48. Несмотря на то что, полная сила, образованная внутри ударника, доступна на круговом выступе, давление, создаваемое в закрытой воде, между приводом и запалом, значительно возрастет, так как площадь, окаймленная выступом 48 значительно меньше, чем площадь поперечного сечения ударника. Запал содержит высокочувствительный материал, который, таким образом, будет надежно инициирован силой, переданной движущимся ударником.

[0041] Полость 60 между ударником и запалом лишена воздуха, когда патрон погружен в воду. Отверстия 62 и 64 таковы, что любое количество воздуха, которое могло первоначально оказаться в полости, легко уходит на поверхность через воду. Это важно, поскольку воздух сжимаем и, если воздух останется в полости, когда патрон находится в воде, максимальная сила не передастся запалу. Если же головку детонатора случайно или намеренно подожгут, в то время как патрон находится на воздухе, то, хотя ударник и продвинется к запалу, небольшой объем воздуха будет оставаться в объеме 94, а, так как воздух сжимаем, то силы, образующейся на запале, будет недостаточно, чтобы вызвать его детонацию.

[0042] Инициирующий заряд содержит относительно небольшое количество взрывного заряда и воспламенение его вне скважины в породе, как правило, не приводят ни к значительным травмам, ни к повреждению оборудования.

[0043] Боковая стенка 20 выполнена тонкой, чтобы максимизировать количество основного заряда, который можно содержать в первом компоненте. Вследствие этого боковая стенка не может выдержать достаточное давление, когда основной заряд инициирован, для обеспечения надлежащего быстро сгорания основного заряда. После воспламенения инициирующего заряда ударник толкают в направлении запала. Ударник вытесняет воду, создавая тем самым волну давления, которая передается через отверстия 62 и 64 окружающей воде, и воздействует на внешнюю поверхность боковой стенки 20. Этот процесс обеспечивает необходимый удерживающий механизм, обеспечивающий надлежащее быстрое сгорание основного заряда и, следовательно, повышение давления в патроне.

[0044] События, которые имеют место между воспламенением инициирующего заряда и инициированием основного заряда, происходят за миллисекунды. Решающим фактором для надлежащего воспламенения основного заряда является то, что волна давления, образованная инициирующим зарядом, должна окружить основной заряд при его инициировании. Таким образом, плохая синхронизация будет снижать производительность патрона. Однако если синхронизация и конструктивные аспекты реализованы в патроне правильно, то происходит надлежащее и эффективное быстрое сгорание основного заряда. Резкое выделение энергии, при взрыве структуры 12, передает воде в скважине волну давления, которая переходит на окружающую породу в виде волны напряжения, вызывающей появление трещин в породе.

Изобретение относится к устройствам, используемым для разрушения породы. Патрон содержит трубчатый корпус (12) в котором выполнены: первая секция (16) с расположенным внутри первой секции первым энергетическим составом (18), запал (30), открытый воздействию первого энергетического состава (18); внутри трубчатого компонента (28) расположена вторая секция (70) с расположенным внутри вторым энергетическим составом (80), ударник (44), выполненный с возможностью перемещения под действием силы взрыва к запалу (30); рабочий орган (48) и детонатор (76), выполненный с возможностью инициирования второго энергетического состава (80). Рабочий орган (48) имеет площадь, уступающую площади поперечного сечения ударника (44), и выполнен с возможностью перемещения, при перемещении ударника, к запалу. Запал выполнен с возможностью инициирования рабочим органом только при заполненном жидкостью объеме (94), который ограничен, по меньшей мере, частично поверхностями рабочего органа и запала. Устройство обеспечивает эффективность, безопасность и надежность работы, позволяет образовать необходимый энергетический импульс с уровнем, достаточным для разрушения породы, только при нахождении в рабочей среде. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Патрон для разрушения породы, содержащий трубчатый корпус (12) в котором выполнены:
первая секция (16);
первый энергетический состав (18), расположенный внутри первой секции (16);
запал (30), открытый воздействию первого энергетического состава (18);
вторая секция (70) внутри трубчатого компонента (28);
ударник (44), расположенный внутри трубчатого компонента (28) и выполненный с возможностью перемещения под действием силы взрыва к запалу (30),
второй энергетический состав (80), расположенный внутри второй секции (70);
рабочий орган (48) и
детонатор (76), выполненный с возможностью инициирования второго энергетического состава (80),
отличающийся тем, что
рабочий орган (48) имеет площадь, уступающую площади поперечного сечения ударника (44), и выполнен с возможностью перемещения, при перемещении ударника, к запалу,
выполненному с возможностью инициирования рабочим органом только при заполненном жидкостью объеме (94), который ограничен, по меньшей мере, частично поверхностями рабочего органа и запала.

2. Патрон по п.1, отличающийся тем, что ударник (44) содержит выступ (54), взаимодействующий с трубчатым компонентом (28) и оказывающийся сдвинутым при инициации второго энергетического состава с обеспечением перемещения ударника (44) к запалу (30).

3. Патрон по п.1 или 2, отличающийся тем, что запал (30) и рабочий орган (48) содержат взаимодополняющие формованные детали, выполненные с возможностью взаимодействия для удержания жидкости в указанном объеме (94) между рабочим органом и запалом.

4. Патрон по п.3, отличающийся тем, что взаимодополняющие формованные детали содержат поршень и цилиндр.

5. Патрон по пп.1, 2 или 4, отличающийся тем, что часть рабочего органа (48) является деформируемой для обеспечения возможности увеличения давления на жидкость в указанном объеме (94).

6. Патрон по пп.1, 2 или 4, отличающийся тем, что вторая секция (70) выполнена внутри трубчатого корпуса (12), содержащего по меньшей мере одно отверстие, выполненное в стенке указанного корпуса для обеспечения сообщения указанного объема (94) с жидкостью, которая окружает указанный корпус (12), когда он погружен в эту жидкость.

7. Патрон по пп.1, 2 или 4, который содержит электрически управляемый механизм (72) для поджигания указанного детонатора (76) и антенну (82) для подачи электрически управляемому механизму (72) входного сигнала и отличается тем, что указанный механизм (72) размещен внутри второй секции (70).

8. Способ инициирования первого энергетического состава (18), согласно которому:
(a) удерживают количество первого энергетического состава (18) в секции (16),
(b) располагают запал (30) для указанного первого энергетического состава (18),
(c) устанавливают указанную секцию (16) в скважину,
(d) окружают указанную секцию (16), расположенную в скважине, водой,
(e) воспламеняют второй энергетический состав (80) в воде таким образом, чтобы воздействовать давлением на ударник и протолкнуть его к запалу,
(f) используют указанный ударник для обеспечения перемещения рабочего органа к запалу,
(g) удерживают количество воды в объеме между рабочим органом и запалом и
(h) используют эту удерживаемую воду для передачи усилия от рабочего органа к запалу для того, чтобы поджечь запал, и таким образом инициировать первый энергетический состав, и
который отличается тем, что
рабочий орган имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем ударник, так что давление воды в указанном объеме превосходит давление, оказываемое вторым энергетическим составом на ударник.

9. Способ по п.8, согласно которому дополнительно: используют второй энергетический состав для создания в воде в скважине волны давления, удерживающей первый энергетический состав во время его инициирования.