ВЗРЫВНОЙ ПАТРОН ДЛЯ ПРОСТРЕЛОЧНО-ВЗРЫВНЫХ РАБОТ
EXPLOSIVE CARTRIDGE FOR PERFORATING OPERATIONS

Изобретение относится к средствам инициирования и предназначено для инициирования детонирующего шнура (ДШ) в герметичной прострелочно-взрывной аппаратуре, использующейся преимущественно при геологоразведке и разработке нефтяных и газовых месторождений.
Особенностью взрывных патронов, использующихся в составе герметичных прострелочно-взрывных аппаратов (перфораторов), является предохранительное действие. Оно заключается в том, что подрыв взрывного патрона не должен приводить к срабатыванию присоединенного к нему ДШ, если в корпус перфоратора вследствие его разгерметизации по каким-либо причинам проникла жидкость из скважины. При срабатывании детонационной цепи перфоратора в воздушной среде, то есть при штатном режиме работы, диаметр корпуса перфоратора изменяется незначительно. Но если срабатывание происходит в скважинной жидкости, которая в отличие от воздуха слабо сжимается, происходит раздутие корпуса перфоратора и его заклинивание в обсадной трубе скважины. Ликвидация такой аварии - длительный и дорогостоящий процесс.
Известны взрывной патрон предохранительного действия ПВПД-Н [1], электродетонатор [2], предохранительное действие которых обеспечивается за счет перекрытия форса пламени электровоспламенителя (ЭВ) скважинной жидкостью. Патрон ПВПД-Н состоит из корпуса (гильзы без дна), в котором на некотором расстоянии друг от друга размещены ЭВ и передаточный заряд. В стенке гильзы выполнено отверстие, сообщающее промежуток между ЭВ и передаточным зарядом с окружающей средой.
Передаточный заряд представляет собой колпачок с запрессованными в него зарядами бризантного взрывчатого вещества (БВВ), инициирующего (ИВВ), и зажигательного пиротехнического состава. Открытый торец колпачка передаточного заряда и, соответственно, зажигательный состав обращены в сторону ЭВ, дно колпачка передаточного заряда и соответственно заряд БВВ - в сторону присоединяемого к гильзе детонирующего шнура.
ЭВ включает колодочную часть с мостиком накаливания и воспламенительным составом, зафиксированную в металлическом колпачке. Металлический колпачок предохраняет воспламенительный состав, нанесенный на мостик накаливания, от воздействия влаги. На дне колпачка выполнена фигурная подштамповка в виде звездочки, утоняющая локальные участки дна и облегчающая прорыв дна продуктами срабатывания ЭВ.
Патрон ПВПД-Н работает следующим образом.
При подаче электрического сигнала срабатывает электровоспламенитель. Форс газообразных продуктов разрушает дно колпачка ЭВ, ослабленное фигурной подштамповкой, и воспламеняет зажигательный состав в передаточном заряде. Тепловой импульс возбуждает детонацию заряда ИВВ, который инициирует заряд БВВ. Последний возбуждает детонацию присоединенного к патрону ДШ.
В нештатной ситуации при разгерметизации перфоратора промежуток между ЭВ и передаточным зарядом через отверстие в стенке гильзы заполняется скважинной жидкостью, которая препятствует движению газообразных продуктов срабатывания ЭВ к передаточному заряду и воспламенению зажигательного состава.
Основной недостаток патрона ПВПД-Н состоит в недостаточной надежности функционирования, обусловленной наличием открытой поверхности зажигательного состава. Воздействие паров воды при хранении патрона или в процессе его применения приводит к снижению чувствительности зажигательного состава. Следствием этого являются отказы в инициировании передаточного заряда.
Известны инициирующее устройство [3], взрывной патрон ПВПД-Н [4], предохранительное действие которых обеспечивается за счет разрыва детонационной цепи.
Патрон ПВПД-М состоит из гильзы без дна, в которой размещены малогабаритный электродетонатор (ЭД), и передаточный заряд. Между малогабаритным ЭД и передаточным зарядом имеется промежуток. В стенке гильзы в области этого промежутка выполнено отверстие.
Передаточный заряд представляет собой колпачок, в который запрессованы заряды БВВ и ИВВ, закрытые чашечкой. Чашечка и заряд ИВВ обращены в сторону малогабаритного ЭД. Дно колпачка и заряд БВВ обращены в сторону присоединяемого к патрону ДШ.
Малогабаритный ЭД представляет собой колодочку с выводными проводами и мостиком накаливания, на которую напрессованы заряды ИВВ и БВВ, закрытые колпачком.
Срабатывание патрона ПВПД-М происходит следующим образом.
При подаче электрического сигнала срабатывает малогабаритный ЭД. При детонации содержащегося в нем заряда БВВ происходит метание осколков донышка колпачка в направлении передаточного заряда. Соударение осколков с поверхностью колпачка передаточного заряда приводит к возникновению ударной волны, которая инициирует заряд ИВВ передаточного заряда. Далее происходит инициирование заряда БВВ и присоединенного к патрону ДШ.
В случае разгерметизации перфоратора промежуток между малогабаритным ЭД и передаточным зарядом через отверстие в стенке гильзы заполняется скважинной жидкостью. Скорость метания осколков в конденсированной среде резко падает, что исключает возможность осколочного инициирования передаточного заряда. Ударно-волнового инициирования не происходит из-за ослабления ударной волны в процессе ее движения к передаточному заряду.
К воздействию паров воды патрон ПВПД-М нечувствителен, так как не имеет открытых поверхностей зарядов. Однако он менее технологичен, а его производство и применение более опасны.
Заряд ИВВ в передаточном заряде обладает высокой чувствительностью к ударно-волновому воздействию. Поэтому для обеспечения предохранительного действия малогабаритный ЭД и передаточный заряд должны размещаться на большом расстоянии друг от друга. Следствием этого является необходимость использования гильз значительной длины, нетехнологичных в производстве.
Повышенная опасность производства и применения связана с наличием ИВВ в двух элементах взрывного патрона (передаточном заряде и малогабаритном ЭД). Соответственно имеются два сечения, чувствительные к удару, и две особо опасные операции снаряжения.
Известен взрывной патрон для прострелочно-взрывных работ [5], предохранительное действие которого также обеспечивается за счет разрыва детонационной цепи. Данный патрон, принятый за прототип настоящего изобретения, состоит из корпуса (гильзы без дна), в котором размещены электровоспламенительный узел, малогабаритный капсюль-детонатор (КД) и передаточный заряд. Между КД и передаточным зарядом имеется промежуток. В стенке корпуса в области промежутка выполнено отверстие, сообщающее его с окружающей средой.
КД представляет собой оболочку, содержащую инициирующий заряд и заряд БВВ. В качестве материала дна оболочки использован металл или сплав с высоким значением акустической жесткости (произведение плотности на скорость звука), например меди, латуни. Толщина дна оболочки составляет 0,15-0,25 мм. Отношение линейной плотности дна оболочки (произведения плотности материала дна на его толщину) к линейной плотности метающего его заряда БВВ (произведения плотности заряда на его высоту) - от 0,3 до 0,6.
Процессы функционирования прототипа в штатном и аварийном режимах (в воздушной среде и в скважинной жидкости соответственно) протекают аналогично патрону ПВПД-М.
Преимущества прототипа определяются тем, что в передаточном заряде не содержится ИВВ. Это, во-первых, ведет к снижению опасности производства и применения. Во-вторых, позволяет существенно уменьшить расстояние между КД и передаточным зарядом и применить гильзы меньшей длины, более технологичные в производстве. Однако, как показал опыт производства прототипа, практическим воплощением которого является взрывной патрон ПВПД-Н-165 [6], технологичность конструкции в целом оказывается невысокой из-за ограничений, накладываемых на толщину дна оболочки КД.
Для массового производства тонкостенных оболочек на практике используют технологию вытяжки из лент или листов. Толщина донышка оболочки при этом равна толщине исходного материала, толщина стенок оболочки за счет утонения материала при вытяжке оказывается меньше толщины исходного материала. При использовании листов или лент толщиной 0,15-0,25 мм изготовить достаточно длинную оболочку оказывается практически невозможным из-за обрыва стенок в процесс вытяжки. Поэтому оболочку КД прототипа приходится изготавливать из двух деталей: длинного колпачка с пробитым дном из ленты толщиной 0,5 мм и короткой чашечки из ленты толщиной 0,2 мм, вставляемой в колпачок и формирующей дно оболочки КД. Очевидно, увеличение количества деталей и введение двух дополнительных технологических операций (пробивка донышка колпачка и досылка в него чашечки) отрицательно сказываются на технологичности производства.
Еще одним недостатком прототипа является недостаточная надежность функционирования. Взрывной патрон должен инициировать ДТП шнур в воздушной среде и давать отказы при заполнении корпуса перфоратора скважинной жидкостью. Для повышения надежности инициирования передаточного заряда и далее ДШ в воздушной среде необходимо увеличивать скорость метания осколков оболочки КД. Для исключения инициирования передаточного заряда в скважинной жидкости требуется уменьшать ударно-волновое воздействие от взрыва заряда БВВ в КД. Очевидным решением задачи увеличения скорости метания осколков является увеличение массы заряда БВВ в КД, но при этом увеличивается и ударно-волновое воздействие и соответственно увеличивается вероятность инициирования передаточного заряда в скважинной жидкости. Поэтому простые решения в данном случае неприменимы. Для надежного функционирования взрывного патрона необходима оптимизация конструкции в части выбора применяемых материалов, массы и плотности заряда БВВ в КД, расстояния между КД и передаточным зарядом. В конструкции прототипа подобная оптимизация проведена, но, как показывают экспериментальные и теоретические исследования, в неполной степени.
Цель настоящего изобретения состоит в повышении технологичности взрывного патрона за счет сокращения количества деталей и повышении надежности его функционирования.
6
2
Поставленная цель достигается тем, что донышки оболочек КД и передаточного заряда выполнены из металла или сплава, имеющего низкое, менее 20·10 кг/м·с значение акустической жесткости, например алюминия, а толщина донышка оболочки КД составляет 0,4-0,6 мм.
Пример предлагаемой конструкции взрывного патрона представлен на фиг.1. Патрон состоит из корпуса (гильзы без дна) 1, в котором размещены электровоспламенительный узел 2, передаточный заряд и КД. КД состоит из оболочки 3, в которой размещены инициирующий заряд 4 и заряд БВВ 5. Передаточный заряд - из оболочки 6, содержащей заряд БВВ 7, закрытый чашечкой 8. Между КД и передаточным зарядом имеется промежуток 9. В стенке корпуса 1 в области промежутка 9 выполнено отверстие 10, сообщающее промежуток 9 с окружающей средой,
Оболочки 3 и 6 представляют собой колпачки из алюминия. Толщина донышка оболочки 3 составляет 0,4-0,6 мм. Отношение линейной плотности донышка оболочки 3 (произведения плотности материала донышка на его толщину) к линейной плотности заряда БВВ 5 (произведения плотности заряда на его высоту) находится в пределах от 0,3 до 0,6.
Взрывной патрон работает следующим образом. При подаче электрического сигнала срабатывает электровоспламенительный узел 2 и воспламеняет инициирующий заряд 4. Инициирующий заряд 4 возбуждает детонацию заряда БВВ 5. При этом осколки донышка оболочки 3 метаются в направлении передаточного заряда. Соударение осколков с донышком оболочки 6 приводит к возникновению в нем ударной волны, которая далее входит в заряд БВВ 7, возбуждая его детонацию. Детонация заряда БВВ 7 приводит к инициированию присоединенного к патрону ДШ.
При разгерметизации перфоратора промежуток 9 через отверстие 10 заполняется скважинной жидкостью. Осколочный механизм инициирования заряда БВВ 7 становится невозможным из-за низкой скорости осколков донышка оболочки 3 в конденсированной среде. Ударно-волновое инициирование заряда БВВ 7 не происходит из-за ослабления ударной волны от заряда БВВ 3 в процессе ее движения по промежутку 9.
6
2
2
6
2
В отличие от прототипа для донышка оболочки 3, образующего осколки, в рассматриваемой конструкции использован алюминий, металл с низким значением акустической жесткости (около 15·10 кг/м·с). Толщина донышка оболочки 3 увеличена до 0,4-0,6 мм. Такое решение при использовании в донышке оболочки 6 алюминия обеспечивает более высокие значения параметров ударной волны, входящей в заряд БВВ 7, по отношению к прототипу. Как показывают расчеты, величина Pt (где P - давление, создаваемое в заряде БВВ 7 при ударе осколка по донышку передаточного заряда, t - время действия этого давления) увеличивается не менее чем на 15%. Поэтому при равной массе заряда, метающего осколки, предлагаемая конструкция обеспечивает более высокую надежность срабатывания, чем прототип. Использование осколков малой толщины из металла с высоким значением акустической жесткости, например меди (около 35·10 кг/м·с), оправдано в частном случае, предусматривающем обязательное использование в оболочке инициируемого заряда металла с высоким значением акустической жесткости.
Отношение линейной плотности донышка оболочки 3 (произведения плотности материала донышка на его толщину) к линейной плотности заряда БВВ 5 (произведения плотности заряда на его высоту) в предлагаемой конструкции не отличается от прототипа (от 0,3 до 0,6). Увеличение или уменьшение этого отношения приводит к снижению инициирующего воздействия осколков. В первом случае это имеет место из-за снижения скорости метания осколков. Во-втором - из-за уменьшения времени действия давления на инициируемый заряд ВВ, обусловленного уменьшением толщины осколка.
Увеличение толщины донышка оболочки 3 по отношению к прототипу положительно сказывается на предохранительном действии патрона, так как при ударно-волновом инициировании донышко выполняет функцию инертной преграды, ослабляющей действие ударной волны. Если не задаваться целью улучшения предохранительного действия, можно уменьшить длину промежутка 9, то есть сблизить КД и передаточный заряд. При этом возрастает надежность осколочного инициирования передаточного заряда за счет ослабления воздействия неблагоприятных факторов, связанных с рассеянием метаемых осколков, разновременностью их подлета к поверхности передаточного заряда, разворотом осколков и косым соударением.
Увеличенная толщина донышка оболочки 3 определяет и технологические преимущества предлагаемой конструкции. При толщине исходного материала 0,4-0,6 мм проблемы с изготовлением колпачков для взрывного патрона отсутствуют, что позволяет отказаться от комбинированной конструкции оболочки 3 прототипа.
Список литературы
1. Комплект конструкторской документации на взрывной патрон ПВПД-Н ДИШВ.773955.501. Инв. №14687,15715. ФГУП НПП «Краснознаменец», 1992 г.
2. Патент США №2759417, 1956 г.
3. Патент США №2891477, 1955 г.
4. Комплект конструкторской документации на взрывной патрон ПВПД-М ТУ 41-12-047-89. Инв. вх. №№4166,4241. ФГУП НПП «Краснознаменец», 1989 г.
5. Патент РФ №2247924, 2003 г. Опубл. 10.03.05 // Изобретения и полезные модели. - №7 (III часть). - С.841.
6. Комплект конструкторской документации на взрывной патрон ПВПД-Н-165 ДИШВ.773955.507 ТУ. Инв. №17845. ФГУП НПП «Краснознаменец», 2003 г.