УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДЕТОНАЦИИ В ПЕРФОРАТОРАХ

Полезная модель относится к детонирующим устройствам, в частности к детонаторам электрического и ударного действия для проведения прострелочно-взрывных работ в скважине при температуре 165-200 градусов. Конкретно полезная модель относится к области взрывных работ в скважине. Разработана серия детонаторов, которая позволяет проводить работы, как при спуске перфоратора на кабеле - это электродетонаторы, так и при спуске на насосно-компрессорных трубах (НКТ) - это детонаторы ударного действия.
Известен детонатор и по патенту РФ на изобретение №2202765, МПК F42С 19/10, опубл. 20.04.2003 г.
Этот детонатор содержит корпус, с расположенными в нем последовательно капсюлем-детонатором, выполненным из бризантного взрывчатого вещества (БВВ), с передаточным зарядом и детонатором, осевым каналом, выполненным в корпусе между передаточным зарядом и капсюлем-детонатором, и цилиндрическим бойком, расположенным над капсюлем-детонатором, при этом корпус выполнен в виде втулки и гильзы, скрепленных гайкой, торцевая поверхность которой расположена выше торцевой поверхности бойка, а в гильзе, в зоне расположения передаточного заряда, выполнены радиальные отверстия, заполненные легкоплавким сплавом, при этом устройство снабжено фиксирующим элементом в виде цилиндрического колпачка из твердого металла, закрепленным на наружной поверхности втулки и опирающимся на боек, свободно установленный во втулке на капсюль-детонатор.
Недостатки:
1. Так как боек прикрыт колпачком, который установлен на герметик ВТО-1, который может попасть в полость нижней части втулки, тем самым уменьшается ударное воздействие на боек и надежность его срабатывания.
2. Сложность конструкции.
3. Недостатком существующих ударных детонаторов является выступание бойка за верхний торец детонатора, что может привести при «падении» к несанкционированному срабатыванию.
Известно устройство для возбуждения детонации в перфораторах по патенту РФ на изобретение №2516600, МПК Е42С 19/00, опубл. 20.05.2014 г., прототип.
Это устройство для возбуждения детонации в перфораторах, содержит корпус, имеющий цилиндрическую боковую поверхность, центральный канал и фиксирующую крышку, в центральный канал засыпан основной заряд бризантного взрывчатого вещества, а нижний его торец закрыт разрываемой перегородкой, над центральным каналом выполнено гнездо, в виде цилиндрической поверхности, в котором размещены элементы узла первичного возбуждения детонации,
Недостатки этого устройства:
- возможность несанкционированной разборки извлечением крышки,
- сложность конструкции,
- низкая надежность срабатывания зарядов.
Задача создания полезной модели: предотвращение несанкционированной разборки устройства.
Достигнутый технический результат: предотвращение несанкционированной разборки устройства.
Решение указанной задачи достигнуто в устройстве для возбуждения детонации в перфораторах, содержащем корпус, имеющий цилиндрическую боковую поверхность, центральный канал и фиксирующую крышку, в центральный канал засыпан основной заряд бризантного взрывчатого вещества, а нижний его торец закрыт разрываемой перегородкой, над центральным каналом выполнено гнездо, в виде цилиндрической поверхности, в котором размещены элементы узла первичного возбуждения детонации, тем, что, для установки в корпус фиксирующей крышки предусмотрено герметичное соединение, для этого на боковой поверхности фиксирующей крышки сделаны кольцевая канавка и кольцевой выступ, который при установке в корпус сминается и фиксирует фиксирующую крышку.
В качестве элементов узла первичного возбуждения детонации могут быть применены элементы первичного возбуждения для электродетонатора.
Элементы первичного возбуждения для электродетонатора могут содержать электроввод, который состоит из втулки, центрального контакта, где имеется конусное отверстие для подключения кабельной головки, между центральным контактом и втулкой выполнен термостойкий изолятор, в нижней части электроввода находятся мостик из композитного высокоомного материала и пусковой заряд, под которыми установлены фольга и шайба.
В качестве элементов узла первичного возбуждения могут быть применены элементы первичного возбуждения для ударного детонатора.
Элементы первичного возбуждения для ударного детонатора могут содержать боек, установленный в матрице, пусковой заряд, фольгу и шайбу.
Основной заряд может состоять из двух зарядов: первого, запрессованного на разрывную перегородку и второго, выполненного над ним.
3
Вес первой части основного заряда бризантного взрывчатого вещества может составлять 0,45±0,2 г, и он запрессован до плотности 1,3-1,5 г/см.
Вес второй части основного заряда бризантного взрывчатого вещества может составлять 0,35±0,2 г и его уплотняют так, чтобы высота продукта была ниже верхней кромки центрального канала относительно корпуса примерно на 0,5 мм.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах (фиг. 1…11), где:
- на фиг. 1 приведено устройство для возбуждения детонации в перфораторах.
- на фиг. 2 приведены элементы первичного возбуждения для электродетонатора и электроввод в сборе,
- на фиг. 3 приведена шайба,
-на фиг. 4 приведены элементы первичного возбуждения для ударного детонатора,
- на фиг. 5 приведена фиксирующая крышка для электрического детонатора,
- на фиг. 6 приведена фиксирующая крышка для ударного детонатора, первый вариант,
- на фиг. 7 приведена фиксирующая крышка для ударного детонатора, второй вариант,
- на фиг 8 и 9 приведены ударный детонатор и электродетонатор,
- на фиг. 10 и 11 приведены ударные детонаторы и электродетонаторы в транспортировочном контейнере.
Обозначения, принятые в описании:
корпус 1,
цилиндрическая боковая поверхность 2,
цилиндрическая поверхность 3,
центральный канал 4.
боковая поверхность 5,
зона шероховатости 6,
нижний торец 7,
разрывная перегородка 8,
основной заряд 9.
первая часть основного заряда 10,
вторая часть основного заряда 11,
верхняя кромка 12.
гнездо 13,
элементы узла первичного возбуждения детонации 14,
элементы первичного возбуждения детонации для электрического детонатора 15,
элементы первичного возбуждения детонации для ударного детонатора 16,
верхний торец 17,
фиксирующая крышка 18,
герметичное соединение 19,
полость 20,
электроввод в сборе 21,
втулка 22,
центральный контакт 23,
конусное отверстие 24,
термостойкий изолятор 25,
мостик из композитного высокоомного материала 26,
пусковой заряд 27,
фольга 28,
шайба 29,
центральное отверстие 30,
расширяющийся канал в виде сопла 31,
матрица 32,
боек 33,
боковая поверхность 34,
кольцевая канавка 35,
кольцевой выступ 36,
верхний торец 37,
верхнее отверстие 38,
отверстие 39,
перемычка 40.
Устройство для возбуждения детонации в перфораторах (фиг. 1), в дальнейшем устройство, содержит корпус 1, имеющий цилиндрическую боковую поверхность 2 и цилиндрическую поверхность 3 для установки в переводник перфосистемы (переводник на фиг. 1-11 не показан).
Внутри корпуса 1 проходит центральный канал 4 диаметром 5-5,5 мм, боковая поверхность канала 5 имеет зону шероховатости 6. Высота выступов шероховатости h=0,3-0,5 мм. Это оптимально для создания скачков уплотнения в сверхзвуковом потоке.
При меньших высотах шероховатость не создает скачков уплотнения, так как находится в пределах пограничного слоя, а при больших высотах происходит уплотнение завихрениями более, чем на 20% площади поперечного сечения центрального канала 4.
Нижний торец 7 центрального канала 4 запирается разрывной перегородкой 8.
В центральный канал 4 помещен основной заряд 9 бризантного взрывчатого вещества. Основной заряд 9 состоит из двух частей: первой части основного заряда 10, запрессованной на разрывную стенку 8 и второй части основного заряда 11, выполненной над ним.
3
Вес первой части основного заряда 10 бризантного взрывчатого вещества составляет 0,45±0,2 г. Первая часть основного заряда 10 запрессована до плотности (1,3-1,5) г/см,
Выше уложена вторая часть основного заряда 11 бризантного взрывчатого вещества. Его вес составляет 0,35±0,2 г. Вторую часть основного заряда 11 бризантного взрывчатого вещества уплотняют так, чтобы высота продукта была ниже верхней кромки 12 центрального канала 4 (фиг. 1), относительно корпуса 1, примерно на 0,5 мм, чтобы не было защемления продукта при сборке. При этом соотношении весов и плотности зарядов обеспечивает наиболее эффективное возбуждение детонации и переход в стационарный режим детонации. Надежность срабатывания составляет 100%.
Над центральным каналом 4 выполнено гнездо 13 (фиг. 1) в виде полости цилиндрической формы с диаметром больше диаметра центрального канала 4 с образованием верхней кромки 12. Гнездо 13 предназначено для установки элементов узла первичного возбуждения детонации 14. Элементы узла первичного возбуждения детонации 14 могут быть двух типов: элемент первичного возбуждения детонации для электрического детонатора 15 и элемент первичного возбуждения детонации для ударного детонатора 16. Верхний торец 17 корпуса 1 закрыт фиксирующей крышкой 18. Фиксирующая крышка 18 может быть установлена и запрессована с применением герметичного соединения 19. Внутри фиксирующей крышки 18 выполнена полость 20, сообщающаяся с полостью гнезда 13.
Далее приведены примеры конкретного исполнения устройства для возбуждения детонации в перфораторах (фиг. 2 и 3) с элементами первичного возбуждения детонации для электрического детонатора 15 и элементами первичного возбуждения детонации для ударного детонатора 16 (фиг. 4 и 5).
1. КОНСТРУКЦИЯ УСТРОЙСТВА С ЭЛЕМЕНТАМИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДЕТОНАЦИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДЕТОНАТОРА
Элементы первичного возбуждения детонации для электрического детонатора 15 (фиг. 2) содержит электроввод в сборе 21.
Электроввод в сборе 21 состоит из втулки 22, центрального контакта 23, где имеется конусное отверстие 24 для подключения кабельной головки (кабельная головка не показана), используемой в перфорационных системах при спуске на кабеле. Между центральным контактом 23 и втулкой 22 имеется термостойкий изолятор 25. В нижней части электроввода в сборе 21, который в дальнейшем прикасается к пусковому заряду 27 (воспламенительный состав), находится мостик из композитного высокоомного материала 26, сопротивление которого составляет 100±5 Ом, при безопасном токе 0,2 А, безопасное напряжение достигает не менее ≤20 В, что в 200 раз превышает безопасное напряжение существующих детонаторов.
На фольгу 28 засыпан пусковой заряд 27 в виде термостойкого воспламенительного состава, над ним устанавливают электроввод 21, затем устанавливают фиксирующую крышку 18, и запрессовывают вровень с верхним торцом 17 корпуса 1. Тем самым происходит прессование пускового заряда 27 до необходимой плотности и окончательная сборка устройства. Фиксирующая крышка 18 не позволяет произвести несанкционированную разборку устройства.
В состав элементов первичного возбуждения детонации для электрического детонатора 15 входит также шайба 29 с наклеенной фольгой 28.
2. УСТРОЙСТВО С ЭЕМЕНТАМИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДЕТОНАЦИИ УДАРНОГО ДЕТОНАТОРА
Устройство для первичного возбуждения детонации в перфораторах, применяемых в скважине (фиг. 4) с элементами первичного возбуждения детонации для ударного детонатора 16 размещено также в корпусе 1 (фиг. 1). Т.е. корпус унифицирован.
На шайбу 29 сверху наклеивают фольгу 28, шайбу 29 устанавливают во втулку 22, и все это в сборе устанавливается в корпус 1. Затем засыпают пусковой заряд 27 массой 0,13±0,02 г и устанавливается боек 33.
Устанавливают фиксирующую крышку 18 и запрессовывают ее вровень с верхним торцом 17 корпуса 1, тем самым происходит подпрессовка пускового заряда 27 до определенной плотности. Фиксирующая крышка 18 также не позволяет произвести несанкционированную разборку устройства.
На фиг. 5 показана фиксирующая крышка 18 для элементов первичного возбуждения детонации для электродетонатора 15.
Для ее плотной установки в корпус 1 предусмотрено герметичное соединение 19. Для этого на боковой поверхности 34 фиксирующей крышки 18 сделаны кольцевая канавка 35 и кольцевой выступ 36. Кольцевой выступ 36 при установке в корпус 1 сминается и фиксирует фиксирующую крышку 18. Также имеется на верхнем торце 37 верхнее отверстие 38 для контакта с кабельной головкой и полость 20 для размещения электроввода 21.
На фиг. 6 приведен первый вариант фиксирующей крышки 18 для негерметичного исполнения элементов первичного возбуждения детонации для ударного детонатора 16. Фиксирующая крышка 18 устроена также, как и для фиксации элементов первичного возбуждения детонации для электродетонатора 15. Фиксирующая крышка 18 имеет на боковой поверхности 34 кольцевую канавку 35 и кольцевой выступ 36, а также на верхнем торце 37 отверстие 39 под боек 33.
На фиг. 7 приведен второй вариант фиксирующей крышки для герметичного исполнения элементов возбуждения для ударного детонатора 18. Фиксирующая крышка 18 имеет на боковой поверхности 34 кольцевую канавку 35 и кольцевой выступ 36 и перемычку 40 небольшой толщины.
На фиг 8 и 9 приведен внешний вид устройств с ударным детонатором и электродетонатором в вертикальном положении,
На фиг. 10 и 11 приведены ударные детонаторы и электродетонаторы в транспортировочном контейнере.
РАБОТА УСТРОЙСТВА
Снаряженный корпус 1 (фиг. 1) подходит, как для электродетонатора, так и для ударного детонатора. Такая конструкция позволяет автоматизировать сборку корпусов. Основные проблемы при разработке детонаторов было совмещение первичного импульса электро- и ударного детонаторов. Первичный импульс - это важная составляющая для возбуждения процесса. В электродетонаторе используется термостойкий воспламенительный состав, обладающий высокой энергетикой, который воспламеняется от срабатывания высокоомного мостика. Продукты горения проходят в отверстия малого диаметра шайбы, выполненного в виде сопла, что значительно повышает скорость потока, который попадает в зону малоплотного бризантного взрывчатого вещества, где ударная волна и температура, образуют первичные "горячие точки", вызывая низкоскоростное горение, которое ускоряется за счет скачков уплотнения в канале корпуса, как отмечалось ранее. При этом формируется достаточный мощный импульс для возбуждения детонации второй части бризантного взрывчатого вещества.
Факторы, влияющие на процесс формирования первичного импульса в электродетонаторе:
1. Термостойкий воспламенительный состав, обладающий мощной энергетикой;
2. Высокоскоростное возбуждение процесса горения во всем объеме, которое обеспечивает высокоомный мостик накаливания электроввода;
3. Масса и плотность воспламенительного состава пускового заряда;
4. Увеличение скорости потока за счет шайбы с отверстием малого диаметра в виде сопла.
Такая схема возбуждения детонации исключила применение инициирующих взрывчатых веществ (ИВВ), что сказалось положительно на безопасности в целом.
Рассмотрим первичный импульс ударного детонаторах, как он формируется, что влияет на процесс возбуждения детонации в целом.
Процесс формирования первичного импульса происходит за счет скоростного сжатия бойком бризантного взрывчатого вещества, который находится между шайбой, которая играет роль наковальни, и самим бойком. Шайба также имеет малое отверстие в виде сопла, что разгоняет поток достаточно, чтобы тоже сформировать "горячие точки" для дальнейшего процесса. Процесс возбуждения детонации аналогичен процессу, который происходит в электродетонаторе.
Необходимые условия для первичного импульса ударного детонатора:
1. Необходимость обеспечить максимальную скорость бойка, что приведет к защемлению БВВ и его воспламенению.
2. Необходимость выполнить боек и наковаленку (шайбу) из материалов высокой прочности, чтобы обеспечить их минимальную деформацию;
3. Необходимость рассчитать плотность и массу БВВ, находящегося под бойком.
4. В качестве первичного заряда используется термообработанное БВВ, имеющее повышенную чувствительность, поэтому не требуются дополнительно различного рода сенсибилизаторы.
В этом случае мы имеем достаточный первичный импульс для возбуждения детонации без применения ИВВ.
Приведено описание работы двух модификаций исполнения устройства с электродетонатором и ударным детонатором.
1. Устройство с элементами первичного возбуждения детонации для электродетонатора.
Корпус 1 устройства с элементами возбуждения детонации для электрического детонатора 15 (фиг. 2) устанавливается в гнездо верхнего переходника, к которому прикручивается кабельная головка, а снизу перфоратор (верхний переходник, кабельная головка и перфоратор на фиг. 1…11 не показаны).
Перфоратор опускают в скважину. При срабатывании кабельной головки, срабатывают элементы возбуждения детонации для электрического детонатора 15, возбуждая детонацию по взрывной цепи перфоратора, который подвешен на кабеле (кабель не показан).
При прохождении электрического тока через мостик из композиционного высокоомного материала 26 он взрывается и воспламеняет пусковой заряд 27, в результате происходит высокоскоростное горение пускового заряда 27.
Продукты сгорания через центральное отверстие 30 шайбы 29 (фиг. 7) диаметром примерно 1,8 мм и его расширяющийся канал в виде сопла 31 проникают в центральный канал 4 корпуса 1 цилиндрической формы и воспламеняют вторую часть основного заряда 11, имеющую меньшую плотность, а потом происходит возбуждение детонации первой части основного заряда 10, имеющей высокую плотность. Продукты детонации, проходя со сверхзвуковой скоростью вдоль боковой поверхности 5 центрального канала 4, имеющей зону шероховатости 6, создают пульсирующие скачки уплотнения на выступах зоны шероховатости 6. Разрывается перегородка 8 и детонационный импульс передается к установленному соосно устройству передачи детонации (УПД не показано).
2. Устройство с элементами первичного возбуждения детонации для ударного детонатора 16.
При ударном воздействии ударника инициирующей головки (не показан), на боек 33 (фиг. 4) последний перемещается и происходит высокоскоростное сжатие пускового заряда 27 бризантного взрывчатого вещества, вызывая высокоскоростное горение.
Продукты сгорания через центральное отверстие 30 диаметром примерно 1,8 мм проникают в центральный канал 4 корпуса 1 и воспламеняют вторую часть 11 основного заряда 9 бризантного взрывчатого вещества. Продукты детонации, проходя вдоль боковой поверхности 5 центрального канала 4, создают пульсирующие скачки уплотнения на выступах зоны шероховатости 6.
Это позволяет получить скорости истечения продуктов сгорания от М=1,2…2,0 (где М - число Маха).
Разрывная перегородка 8 разрывается в донной части против центрального канала 4 и детонационный импульс передается к установленному соосно устройству передачи детонации (УПД не показано). От УПД детонация передается детонирующему шнуру (не показан), далее последовательно расположенным кумулятивным зарядам (не показаны).
Изготовлена и успешно испытана опытная партия устройств для возбуждения детонации в перфораторах с электродетонаторами и с ударным детонатором (фиг. 8-11).
Применение полезной модели позволило:
- обеспечить унификацию основных деталей и узлов устройства для установки разных типов детонаторов.
- упростить конструкцию устройства,
- упростить сборку детонатора и его установку в перфоратор,
- повысить надежность срабатывания детонаторов всех типов,
- предотвратить несанкционированную разборку детонатора,
- предотвратить несанкционированное срабатывание детонатора, как при сборке, так и при транспортировке и случайном «падении»,
- применить схему возбуждения детонации от электрического детонатора без проводов,
- обеспечить безопасность при проведении работ,
- обеспечить работу устройства в скважине при температуре от 165 до 200°C,
- расширить номенклатуру изделий определенного назначения - устройств для передачи детонации в перфораторах, применяемых в скважинах.