Дуплексний кумулятивний перфоратор

Дуплексний кумулятивний перфоратор, що включає корпус, в якому розміщена шашка вибухової речовини з профільованою порожниною, покритою облицюванням, і проміжний детонатор, розміщений симетрично осі шашки вибухової речовини, який відрізняється тим, що в його корпусі 3 21825 го конструктивного центрування, яке зв'язує кумулятивну лійку та вузол центрування детонаційної хвилі, наслідком чого є можливість викривлення фронту детонаційної хвилі при натіканні продуктів вибуху на вісь кумуляції при динамічному обжимі газової фази кумулятивного стр уменя. Крім того, як відомо при кумуляції потоку газоподібних продуктів вибуху, що поширюються з поверхні заряду, який детонує, виникає концентрація енергії вибуху в порожнині, обмеженій облицюванням кумулятивної лійки, конфігурація якої (півсфера, конус, парабола, фрагмент еліпса т.п.) визначає характер формування та довжину кумулятивного струменя. При цьому, ліворуч від точки сходження газового потоку, ближче до вершини конуса кумуляції, утворюється масивний низькошвидкісний пест, у який переходить більша частина маси облицювання, яка практично не бере участі у пробитті перешкоди; а праворуч, у напрямку до розкриття лійки, утвориться високошвидкісний кумулятивний струмінь із наступними параметрами: Vс=U×ctg(a/2); Vп=U×tg(a/2); m c=m(1-cosa)/2; m п=m(1+cosa)/2; h пр=L(r c/r м )1/2, де: U - вектор швидкості обтиснення кумулятивного облицювання; Vc - швидкість кумулятивного струменя; Vп швидкість кумулятивного песта; a - кут між протилежних сторін кумулятивної лійки; m - маса кумулятивної лійки; m с - маса облицювання, що попадає в струмінь; m п - маса облицювання, що попадає в пест; hпp - глибина пробиття перешкоди; L - ефективна довжина кумулятивного струменя; r м - щільність матеріалу, що пробивається; r с щільність кумулятивного стр уменя. Як видно із співвідношень, чим менший кут a, тим вища швидкість кумулятивного струменя та менша її маса, і навпаки - тим менше швидкість песта і більша його маса. Практичний досвід свідчіть, що діаметр кумулятивного струменя становить близько 2-13мм, а швидкість досягає 6¸8км/с. Глибина пробиття перешкоди для реально використовуваних кумулятивних зарядів, становить 3,5¸5 калібрів, тому при конструюванні заряду доцільно максимізувати калібр. Для максимізації швидкості струменя необхідно мінімізувати кут схлопування. Для максимізації маси кумулятивного струменя кут схлоп ування повинен бути максимально можливим, але за умови формування основної маси кумулятивного струменя зі швидкістю не менше 4,5км/с. Ефективно вирішити усі наявні конструктивні протиріччя у рамках стандартних технічних рішень практично неможливо. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення конструкції кумулятивного заряду, збільшення його пробивної здатності, утворення в гірській породі отвору, який звужується в напрямку від основи до вершини і підвищення проникності отвору для флюїдів шля хом використання в конструкції заряду додаткової кумулятивної лійки, яка забезпечує формування двохфазового кумулятивного пострілу. Крім того, поставлено додаткове завдання забезпечити лише часткове руйнування елементів конструкції енергією вибуху і створення умов для наступних те хнологічних операцій. Поставлена задача вирішується тим, що у дуплексному кумулятивному перфораторі, що вклю 4 чає корпус, в якому розміщена шашка вибухової речовини з профільованою порожниною, покритою облицюванням і проміжний детонатор, розміщений симетрично осі шашки вибухо вої речовини, у корпусі перфоратора розміщено основну а також додаткову кумулятивні лійки, з оберненими геометричними параметрами твірних, які є фрагментами поверхні четвертого порядку, а також основний кумулятивний бризантний заряд, частково збагачений сполуками важких металів, і додатковий обтискний кумулятивний бризантний заряд, відокремлений від основного додатковою кумулятивною лійкою, які мають різну швидкість детонації, що зменшується від центру основного заряду до периферії додаткового заряду, причому кумулятивні лійки, з відповідними їм зарядами, виконані сумісними так, що додаткова кумулятивна лійка облягає основну. У конструкцію запропонованого дуплексного кумулятивного перфоратора закладено нове технічне рішення: сполучення двох кумулятивних зарядів і двох кумулятивних лійок з оберненими геометричними параметрами у єдиній конструкції, зі спільним вузлом детонації. Конструктивна сумісність двох кумулятивни х лійок з відповідними їм зарядами забезпечує двохфазовий кумулятивний вибух при якому утворення кумулятивного песту першої фази вибуху суміщається з початком формуванням кумулятивного струменю другої фази вибуху. За рахунок цього забезпечується двохкратне формування кумулятивного струменя, при якому друга фаза вибуху формує зону радіальнокільцевих тріщин, що забезпечує частковий винос гірської породи при притоку вуглеводів та поширює камуфлетн у порожнину за межі зони кальматації. Корисна модель пояснюється кресленнями: На Фіг.1 зображена схема компонування кумулятивного заряду, яка включає: - основну кумулятивну лійку змінного профілю 1, яка утворює кумулятивну порожнину з кутом a при вершині; фрагмент основного кумулятивного заряду 2, збагачений хімічними сполуками важких металів; основний кумулятивний бризантний заряд 3; високошвидкісний периферійний детонатор 4; монолітний дюралюмінієвий корпус кумулятивного перфоратора 5; захисний дюралюмінієвий ковпачок 6; додаткова внутрішня кумулятивна обойма 7; додатковий обтискний кумулятивний заряд 8; зовнішня захисна обойма з високою міцністю на розрив 9; патрубок детонаційного заряду 10; вхідний отвір для детонаційного шнура із захисною оболонкою 11, через який забезпечується загальна ініціалізація заряду. На Фіг.2 дані пояснення динаміки розвитку вибухового процесу і перерозподілу мас між основною металевою кумулятивною лійкою 1 і збагаченою важким металом прилягаючою зоною вибухової речовини 2. Біла стрілка вказує напрямок дії ініціюючого заряду. Чорна стрілка вказує напрямок сформованого кумулятивного струменя. Додаткова кумулятивна лійка 7 обрамляє основну кумулятивну лійку 1 і розміщена всередині розділеного заряду. 5 21825 Конструктивними особливостями дуплексного кумулятивного перфоратора є те, що монолітний корпус захищений від зусиль на розрив облягаючою зовнішньою захисною обоймою, яка має високу міцність на розрив за рахунок того, що виготовляється способом навивання на монолітний корпус декількох шарів з витків високоміцної нитки, з попереднім натягненням, з подальшим просоченням епоксидною смолою. Внутрішня додаткова кумулятивна лійка виготовлена з армованих вуглецевим волокном порошкових металів. Оскільки геометричні параметри внутрішньої додаткової кумулятивної лійки частково співпадають з геометричними параметрами монолітного корпусу, на першої фазі вибуху монолітний корпус і додаткова кумулятивна лійка працюють як єдина двох оболонкова конструкція. Основна кумулятивна лійка виготовлена з металевих порошкових композитів і має закономірно зростаючий до основи кут схлопування і зменшувану до вершини товщину. За основу утворюючих конструктивних елементів при виготовлені матриць штампів прийняті фрагменти поверхні другого порядку: еліптичний параболоїд х2/а2+у2b2=2z2, або еліпсоїд х2 /а2+у2 /b2+z2 /с2=1. Для варіанта розглянутого на Фіг.1, у якості утворюючої поверхні основної кумулятивної лійки, для випадку поверхні що утворюється обертанням параболи навколо своєї осі, приймається поверхня четвертого порядку z4=2р2(х2+у2), де р є фокус параболи. У якості утворюючої поверхні додаткової кумулятивної лійки приймається поверхня четвертого порядку, яка утворюється обертанням навколо паралельної до осі у січної деякого еліпсу, центральна піввісь якого b нахиленого з кутом j до осі у і задається рівнянням: (A×(x2+y2)+B×z2+E×z+F)2=(C×z+D)2×(x2+y2); де: A=cos 2j/a2+sin2j/b2; B=sin 2j/a2+cos 2j/b2; 2 2 C=sin2j×(1/b -1/a ); D=2×A×c+C×d; E=2×A×c+C×d; F=A×c 2+B×d+C×c×d; де a, b - піввісь еліпсу; с, d - параметри переносу осей, яки визначають зміщення січної еліпсу від дотичної. Детонаційний заряд виготовляють з нефлегматизованої бризантної вибухівки, що має найвищу швидкість детонації із всіх включених у конструкцію вибухови х речовин. Розміщений між внутрішньою поверхнею монолітного корпусу і зовнішньою поверхнею внутрішньої кумулятивної лійки обтискний заряд має декілька меншу швидкість детонації, ніж основний заряд. Основний заряд при вершині основної кумулятивної лійки має внутрішній сегмент частково збагачений хімічними сполуками важких металів. Вузол центрування детонаційної хвилі виготовлено у вигляді поширюючого з профільованого детонаційного патрубка ініціатора вибуху, що обрамляє базовій заряд, за рахунок чого створюється зусилля обтиснення по перпендикуляру до поверхні контакту. Конструкція перфоратора у цілому забезпечує дво хкратне формування кумулятивного пострілу, з малим часом затримки, а плавний характер всіх утворюючи х поверхонь сприяє, за рахунок віддачі, концентрації енергії вибуху в їх геометричному центрі. Передбачений механічний взаємозв'язок елементів конструкції у вигляді фіксуючи х пазів і різьбове защемлення захисним ков 6 пачком, забезпечує осьове центрування обох кумулятивних лійок, до відбиваючого вибухову хвилю монолітного корпусу, та підвищує механічну міцність на розрив у горизонтальній площині і по вертикальній осі. Зборка кумулятивного перфоратора здійснюється за допомогою епоксидної смоли, що заповнює всі технологічні зазори конструкції, наповнювачем якої є порошкоподібні метали й окисли, що підвищує енергію вибуху, забезпечує повну герметичність та механічну монолітність конструкції. Вузол кріплення захисної обойми до стрічки гірлянди перфораторів є стандартний. Процес формування кумулятивного пострілу розвивається у наступній послідовності. На першій фазі кумулятивного пострілу формується тонкий подовжений канал, який розширюється і отримує конічну форму на другій фазі кумулятивного пострілу. При цьому, виходячи з того, що геометричні розміри пристрою малі, у порівнянні зі швидкістю поширення детонаційної хвилі, процес двократної кумуляції розглядається з погляду миттєвого переходу всієї твердої вибухової речовини у стан надстисненої газової фази, при якому елементи конструкції миттєво одержують розподілене навантаження деформації при практично незмінних геометричних параметрах. Сам процес подальшої інверсії основної та додаткової кумулятивних лійок розвивається в стандартній послідовності, за тією відмінністю, що деформаційні процеси пластичного плину матеріалу додаткової кумулятивної лійки розвиваються усередині газової фази, для якої кумулятивний потік першої фази вибуху працює як "насос", що створює відносне об'ємне розрідження в зоні вибуху за рахунок виносу продуктів вибуху у формі кумулятивного струменя. За рахунок використання двох, конструктивно сумісних, розділених додатковою кумулятивною оболонкою бризантних зарядів, з різною швидкістю детонації, забезпечується двохкратне формування кумулятивного струменя, специфічні властивості якого обумовлені тим, що основна і додаткова кумулятивна оболонка мають зворотні, закономірно змінні геометричні параметри, при яких кут схлоп ування основної кумулятивної лійки закономірно зростає від її вершини до основи, за рахунок чого фронт сформованого на першій фазі вибуху кумулятивного струменя має дуже високу швидкість і малу масу, а кут схлопування додаткової кумулятивної лійки закономірно зменшується від її вершини до основи, за рахунок чого фронт другої фази кумулятивного пострілу має малу швидкість і високу масу. Тому після завершенні першої фази кумулятивного пострілу друга фаза практично з'єднується з фронтом кумулятивного струменя сформованого додатковою кумулятивною оболонкою зі протилежно змінним кутом схлопування, а сформований на першій фазі кумулятивного пострілу тонкий подовжений канал пробою поширюється другою фазою пострілу системою радіальнo-кільцевих тріщин, що забезпечує винос роздробленої породи при виклику припливу і поліпшує приток вуглеводів. Крім того, динаміка розвитку хвилі вибухового процесу обумовлена принципово іншім співвідно 7 21825 шенням швидкостей детонації вибухови х компонентів розділеного бризантного заряду, виготовленого зі стійкого при підвищених температурах октогена, рекомендованого для вибухових робіт у нафтогазових свердловинах. При цьому, швидкість детонації вибухової речовини детонаційного компоненту, виготовленого з нефлематизованого октогена із щільністю близько до 1,9г/см 3, вище швидкості детонації базового бризантного компонента, виготовленого з флематизованого гексафторпропіленом октогена, щільністю коло 1,8г/см 3, яка, у свою чергу, суттєво ви ще швидкості детонації обтискового заряду, виготовленого з флематизованого окислювачем та пластичними полімерними добавками октогена, щільністю порядку 1,6г/см 3. Швидкість детонації обваженого компоненту заряду, обрамляючого вершину кумулятивної лійки, виготовленого з нефлематизованого октогена щільністю близько до 1,9г/см 3, частково знижена за рахунок добавок хімічних сполук важких металів. Тому, у ході поширення хвилі вибуху від вузла детонації формується двохфазовий вибух, який забезпечує послідовну вибухову інверсію кумулятивних лійок. Як видно з пояснень компоновки і конфігурації конструктивних елементів пристрою, мала товщина зони стоншення кумулятивної лійки забезпечує ефективне натікання вибухової хвилі на вісь вибуху, а малий кут сходження на початку лійки забезпечує більше високу, чим у звичайних конусних лійках, початкову швидкість кумулятивного струменя. Менша маса зони стоншення кумулятивної лійки частково компенсується більшою щільністю Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 8 газової фази вибуху, за рахунок наповнювача в зоні бризантного заряду - 2. На завершальному етапі першої фази вибуху відбувається плавне зниження швидкості кумулятивного струменя, при росту її маси і підвищення швидкості песту. У зв'язку з тим, що кумулятивні лійки - 1,7 виконані з порошкових композитів, що вступають у реакцію утворення інтерметалідів, кумулятивний пест в отворі руйнується. Обтискний заряд - 8 на першій фазі вибуху відіграє роль динамічної обтискної обойми і забезпечує цілісність внутрішньої кумулятивної обойми, а на другій фазі вибуху забезпечує схлопування у кумулятивний струмінь матеріалу внутрішньої кумулятивної обойми, що забезпечує розширення вже сформованого кумулятивного отвору. За рахунок вдосконалення конструкції перфоратору та використання кумулятивної лійки змінного профілю досягається більш повне використання продуктів вибуху (як кумулятивного струменя так і песта) викинути х з поверхні бризантного заряду, що й забезпечує досягнення задекларованих винаходом цілей. З ви ще наведеного видно, що широке впровадження даного пристрою може дати значний ефект, особливо в тих випадках, коли привибійна зона свердловини має обширну зону кальматації і потребує поглибленого прострілу. Крім того, розглянута конструкція забезпечує можливість використання заряду сумарної маси суттєво більшої, ніж в стандартних кумулятивних перфораторах, що дозволяє максимізувати калібр, чим також збільшить глибину кумулятивного отвору. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601