КОМПОЗИЦИОННАЯ ПОРОШКОВАЯ ОБЛИЦОВКА СЛОЖНОЙ ФОРМЫ ДЛЯ КУМУЛЯТИВНЫХ ЗАРЯДОВ

Полезная модель относиться к нефтегазовой добывающей промышленности и предназначена для использования в кумулятивных зарядах для прострелочно-взрывной аппаратуры, конкретно предложена эффективная облицовка кумулятивных зарядов.
При проведении прострелочно-взрывных работ в скважинах используются кумулятивные заряды. Одним из основных элементов в конструкции заряда является облицовка. Форма и материал, из которого сделана облицовка, определяет основные характеристики кумулятивного заряда, диаметр отверстия и глубину пробития.
Основная задача при разработке кумулятивных зарядов: увеличение их пробивной способности. Для зарядов типа "ГП - глубокое пробитие", используются композитные порошковые облицовки. Основными характеристиками, определяющими эффективность перфорации, является длина канала, формируемая кумулятивной струей, которая зависит от формы и состава композитного материала.
Известна облицовка кумулятивного заряда по патенту РФ №3227307, МПК F42B 1/032, опубл. 10.05.2008 г.
Эта облицовка выполнена однослойной из порошкового материла, в состав которого входят медь и свинец. Эта классическая облицовка, сформированная из многокомпонентной порошковой шихты показана на фиг. 1 и 2.
Обозначения:
к
D - диаметр калибра кумулятивного заряда,
общ
Н - общая высота облицовки,
внеш
α - внешний угол наклона стенок облицовки,
внутр
α - внутренний угол наклона стенок облицовки.
Рассмотрим более подробно классическую облицовку простой формы, показанную на фиг. 1 и 2.
Внутренняя поверхность облицовки соприкасается с осесимметричной шашкой разрывного кумулятивного заряда, угол раскрытия таких облицовок составляет примерно от 40-45 градусов, угол внутренней поверхности отличается от угла внешней поверхности на 2-3 градуса. Для увеличения пробития, при использовании простой формы облицовки, многие кампании добавляют вольфрамовый порошок не менее 65-80%. С увеличением процента содержания вольфрамового порошка, угол раскрытия сокращается до минимума, внешний и внутренний углы уравниваются. Это связано с тем, что изменения толщины вдоль образующей, при большой разнице в углах, может привести к ее разрушению. Увеличение содержания вольфрамового порошка приводит к удорожанию кумулятивного заряда, при этом, увеличивая глубину пробития, мы не получаем повышения эффективности самой перфорации. Последние исследования показывают, что стенки канала закупориваются остатками шихты и породы, которая устремляется вверх по каналу, но встречная кумулятивная струя не дает выйти остаткам на поверхность, так как диаметр канала в среднем значении составляет порядка 4-5 мм. Это приводит к снижению проницаемости канала на 70-80%. Некоторые кампании уменьшают количество вольфрамового порошка или вообще его не используют. Простая форма облицовки, показанная на фиг. 1, имеет минимальной объем, поэтому без вольфрамового порошка резко снижается пробитие на 40-50%. Это связано с тем, что часть объема шихты кумулятивной струи "намазывается" на поверхность канала, которая имеет пористую структуру. Снижается объем и масса кумулятивной струи, что приводит к снижению пробития.
Недостаток: относительно низкая глубина пробития кумулятивного заряда.
Известна композиционная порошковая облицовка по патенту РФ на полезную модель №174806, МПК F46B 1/32, опубл. 02.11.2002 г., прототип.
Эта облицовка кумулятивного заряда содержит свинец и высокоплотный порошок, при этом облицовка выполнена многослойной и содержит внутренний низкоплотный слой и внешний высокоплотный слой, при этом высокоплотный слой сосредоточен на внешней стороне облицовки, а в качестве высокоплотного порошка использован вольфрам в количестве от 80 до 90 мас. %.
Недостатки: большое содержание дорогостоящего вольфрама, недостаточная глубина пробития кумулятивного заряда и сложность изготовления оболочки.
Задача создания полезной модели и технический результат: увеличение глубины пробития при одновременном уменьшении содержания вольфрама в облицовке.
общ
Решение указанной задачи достигнуто в композиционной порошковой облицовке сложной формы для кумулятивных зарядов, выполненной из порошковой композиции, уложенной между внутренней и внешней стенками, содержащей высокоплотный компонент и связующее вещество, состоящей из трех участков: криволинейного участка, входящего в гнездо разрывного заряда, линейного участка и радиусного участка, тем, что криволинейная поверхность на высоте от 1/2 до 1/3 от общей высоты Н кумулятивного снаряда переходит в линейный участок, углы наклона внутренней и внешней стенок которого отличаются на 2-3 градуса, линейный участок сопрягается с радиусным участком с относительным радиусом кривизны:
к
R/D=(5,1-5,75),
где R - радиус кривизны,
к
D - диаметр основания кумулятивного заряда.
общ
Общая высота Н  кумулятивного заряда может быть выполнена из условия соблюдения соотношения:
общ
к
Н/D=1,0-1,1.
общ
где: Н - общая высота кумулятивного заряда,
к
D - диаметр основания кумулятивного заряда.
Порошковая композиция может содержать от 25-35% высоко плотного компонента.
В качестве высокоплотного компонента может быть применен порошок вольфрама.
В качестве связующего вещества может быть применена медь и другие металлы.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах (фиг. 1-5), где:
- на фиг. 1 приведен чертеж прототипа кумулятивного заряда,
- на фиг. 2 приведен вид А,
- на фиг. 3 приведен чертеж заявленного кумулятивного заряда,
- на фиг. 4 приведена схема пробития бетонной плиты кумулятивным зарядом (прототип),
- на фиг. 5 приведена схема пробития бетонной плиты заявленным зарядом.
Работа кумулятивного заряда
1
2
3
Рассмотрим, с точки зрения физики процесса, облицовку сложной формы, которая показана на фиг. 3. Такая облицовка имеет рупорообразную форму, состоящую из трех участков (высотой H, Н и Н): криволинейного участка 1, линейного участка 2 и радиусного участка 3.
общ
внутр
внеш
Криволинейный участок 1, который входит в гнездо разрывного заряда, имеет криволинейную поверхность с высотой примерно 1/2 - 1/3 от общей высоты Н ,, далее идет линейный участок 2, где внутренний α  и внешний α  углы отличаются на 2-3 градуса.
внутр
α =40…45°
внеш
внутр
α =α  - (2…3)°.
к
Линейный участок 2 сопрягается с радиусным участком 3 с радиусом кривизны R=(5,1-5,75)D.
Такая облицовка с криволинейной образующей расширяет возможности управления длиной кумулятивной струи и градиентом скорости по ее длине.
Касательные, проведенные к образующей (фиг. 3) показывают, как меняется угол р относительно оси облицовки.
2
1
У вершины угол β минимальный, скорость струи максимальная, у основания угол β максимальный, эта часть облицовки имеет наибольшее фокусное расстояние, масса облицовки максимально уходит в струю, при этом образуется канал большего диаметра.
Рекомендуемое значение диапазонов углов наклона касательных (фиг. 3):
1
β=60°…75°,
2
β=20°…30°.
На фиг. 4 приведена схема пробития бетонной плиты кумулятивным зарядом (прототип), а на фиг. 5 - кумулятивным зарядом с заявленной облицовкой.
Пробитие приближается к нижнему порогу пробития кумулятивных зарядов с использованием высокоплотных компонентов. Остатки шихты и породы свободно расходятся с кумулятивной струей, поэтому канал закупоривается минимально в пределах 15-17% (фиг. 5, красный цвет). Поэтому эффективность перфорации значительно повышается. Такую облицовку можно использовать как матрицу для многослойной порошковой облицовки или возможно использовать небольшой процент высокоплотного компонента в пределах 25-35%. Это повышает пробитие до уровня, когда в облицовке простой формы процент содержания высокоплотного компонента не мене 65-70%.
Применение полезной модели позволило при небольшом содержании высокоплотного компонента обеспечить пробитие как при его высоком содержании.