CC BY
192
УДК: 623.541
МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ СОСТАВНЫХ КУМУЛЯТИВНЫХ СТРУЙ В ЗАРЯДАХ ПЕРФОРАТОРА
Олег Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Владилен Федорович Минин
Доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР, e-mail: [email protected]
Игорь Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Предложен новый принцип формирования составной кумулятивной струи в гиперкумулятивных зарядах. Приведены примеры численного моделирования формирования составных струй из различных материалов. Применение кольцевых фокусирующих насадков позволяет получать кольцевые кумулятивные составные струи.
Ключевые слова: кумулятивный заряд, гиперкумулятивная струя, кольцевая струя.
METHOD OF FORMATION OF HIGH-SPEED COMPOUND CUMULATIVE JETS IN CHARGES OF THE PERFORATORS
Oleg V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, head of a department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Vladilen F. Minin
Dr. Sci. Tech., professor, the winner of the State premium of the USSR, e-mail: [email protected]
Igor V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, professor of the department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
New principles of a composite cumulative jet in hypercumulative shaped charges formation are offered. Examples of numerical simulation of the formation of composite jets of different materials are discussed. The applications of focusing ring nozzle produces allow to form the circular cumulative jet components.
Key words: a cumulative charge, hypercumulative jet, ring jet.
В нефтедобывающей промышленности широко используются кумулятивные перфораторы для вскрытия продуктивного пласта в нефтяных и газовых скважинах.
Известен метод формирования кумулятивной струи в кумулятивном заряде, описанный в работе [1], включающий инициирование заряда взрывчатого вещества с выемкой, расположенной с противоположной стороны от инициатора, облицовке выемки низкой тонкой металлической облицовкой с конической формой и с полными углами раствора от 1200 до 1600 или сегментной (чашеобразной), ограниченной сферическими поверхностями с радиусом кривизны, существенно превышающий диаметр заряда, метании облицовки продуктами взрыва заряда взрывчатого вещества, выгибании материала облицовки вдоль оси заряда с одновременным уменьшением диаметра облицовки и натекания материала облицовки на оси симметрии формируемой кумулятивной струи.
Достоинством данного метода является большая масса формируемой кумулятивной струи, достигающая 90% от массы облицовки, отсутствием песта, что исключает возможность закупоривания перфорационного канала и уменьшения движения флюидов из пласта в скважину. Недостатком указанного метода является низкая скорость формируемой кумулятивной струи, не превышающая 3-5 км/с, малый градиент скорости вдоль струи и малая глубина пробития, порядка диаметра заряда. Малая глубина пробития обусловлена малой длиной формируемой кумулятивной струи.
Так же известен метод формирования кумулятивных струй, описанный в работе [2], включающий инициирование заряда взрывчатого вещества с открытой полостью в форме сферического сегмента в теле шашки в сторону полости, облицовки полости из двух различных материалов, причем внутренний слой облицовки выполнен из материала с меньшей удельной массой, например, алюминия, а слой примыкающий к заряду взрывчатого вещества из материала с большей удельной массой, например, из меди, метания облицовки продуктами взрыва, выворачивания облицовки по оси симметрии заряда в противоположную сторону направления своего движения, отрыва внутреннего слоя облицовки от внешнего, формирование кумулятивной струи из внутреннего слоя облицовки с максимальной скоростью большей, чем максимальная скорость формируемой кумулятивной струи из наружного слоя облицовки.
Первое рабочее тело, образованное из внутреннего слоя облицовки, пробивает стенку обсадной колонны, слой цементного камня, а второе рабочее тело, образованное из наружного слоя облицовки, вслед за первым пробивает далее канал в горной породе, таким образом, для второго рабочего тела создается более оптимальное фокусное расстояние.
Достоинством метода является повышенная эффективность пробития за счет большей длины формируемой составной кумулятивной струи. Недостатком метода является низкая максимальная скорость формируемой кумулятивной струи, не превышающая 3-5 км/с, малый градиент скорости вдоль струи и малая глубина пробития, 2.5-3.5 диаметра заряда. Недостаточная глубина пробития обусловлена малой длиной формируемой кумулятивной струи, так как
максимальная скорость кумулятивной струи сформированной из наружной части облицовки превышает минимальную скорость кумулятивной струи сформированной из внутреннего слоя, происходит не полное разделение составной кумулятивной струи, а малый градиент скорости вдоль струи не может ее растянуть.
Целью работы является дальнейшее повышение глубины перфорационного канала.
Предлагается метод [3] получения составных кумулятивных струй в зарядах перфоратора, включающем инициирование заряда взрывчатого вещества (ВВ) с открытой полостью в форме сферического сегмента в теле заряда ВВ в сторону полости, облицовки полости из различных материалов, при этом каждый последующий слой за слоем, примыкающий к полости заряда ВВ, выполнен из материала с меньшей плотностью относительно материала предыдущего слоя, метания облицовки продуктами взрыва, выворачивания облицовки по оси симметрии заряда в противоположную сторону направления своего движения, отрыва внутреннего слоя облицовки от внешнего, формирование составной кумулятивной струи из внутреннего слоя облицовки с максимальной скоростью большей, чем максимальная скорость формируемой кумулятивной струи из наружного слоя облицовки, при этом облицовка выполняется слоистой с количеством слоев не менее двух, все слои выполняются раздельными и разнотол-щинными, с уменьшением толщины слоя от центральной части к периферийной, а со стороны торца заряда с выемкой размещением осесимметричный полый преобразователь с внутренним профилем выполненным преимущественно в форме усеченного конуса, сужающимся в направлении движения кумулятивных струй, при этом в процессе метания и выворачивания кумулятивной облицовки последовательно дополнительно воздействуют на периферийную часть облицовки, с начала на облицовку с меньшей плотностью, затем с большей плотностью за счет их соударения и скольжения частей материала кумулятивной облицовки по внутренней поверхности преобразователя [4-5], преобразуя скорость метания облицовки в радиальную скорость ее сжатия. Форма преобразователя может быть любой, например, кольцевой, для формирования кольцевых кумулятивных струй.
На рис. приведен пример результатов вычислительного эксперимента [6] по функционированию устройства реализующего предлагаемый метод в различные времена времени. Кумулятивный заряд перфоратора содержит заряд ВВ
-5
октоген с плотностью 1.75 г/см в корпусе толщиной 1.5 мм диаметром 39 мм. Масса заряда ВВ около 30 грамм. Заряд инициируется детонатором формирующим плоскую детонационную волну. Полый осесимметричный преобразователь выполнен из инертного материала, например, вольфрама, стали с внутренней поверхностью в виде двух сопряженных конусов. Полный внутренний угол раствора формирователя примыкающего к облицовке с полным углом 90 градусов и отверстием в нем 10 мм. Вторая часть формирователя имеет также внутреннюю коническую поверхность с полным углом раскрыва 28 градусов и диаметром отверстия 8 мм.
с
17 мкс 32 мкс 38 мкс
Рис. Пример формирования составных кумулятивных струй и пробития ими сложной преграды. 1 - заряд взрывчатого вещества, 2 - внутренняя облицовка, 3 - внешняя облицовка, 4 - фокусирующий преобразователь
Облицовка выполнена в виде части сферы диаметром 36 мм и со стрелкой прогиба поверхности 6 мм. Облицовка состоит из двух частей. Первая часть, примыкающая к заряду ВВ выполнена из материала с большой плотностью, например, тантала, свинца, молибдена, а облицовка, обращенная к полому осе-симметричному преобразователю из материала с меньшей плотностью, например, меди, железа, цинка, алюминия и т.п. В данном случае выбраны облицовки из свинца и алюминия. Толщина облицовки из свинца по оси симметрии заряда - 1 мм и 0.8 мм на ее периферии. Толщина облицовки из алюминия по оси симметрии заряда - 1.4 мм и 1 мм на ее периферии.
Формирование составной кумулятивной струи происходит следующим образом. Производят инициирование заряда инициатором (электродетонатор) заряда взрывчатого вещества с выемкой облицованной многослойной облицовкой, при этом облицовка с большей плотностью материала примыкает к заряду ВВ, а каждая последующая имеет плотность материала меньшей предыдущей. Детонационная волна в заряде взрывчатого вещества распространяется в сторону выемки и сначала подходит к вершине облицовки и метает ее вдоль оси симметрии заряда. Центральные части облицовки приобретают в направлении оси полости наибольшие импульс и скорость. В результате этого центральные части облицовки выворачиваются в противоположную сторону своего движения, начинается разделение материалов облицовки на несколько частей. Для уменьшения потерь энергии в материале облицовки при разделении облицовок и повышения устойчивости формы поверхности тонких облицовок при их деформации они выполняются раздельными. Затем, периферийные части обли-
цовки метаются и приходят в принудительное взаимодействие с осесимметрич-ным полым преобразователем, скользят по его внутренней поверхности и преобразуют соевую скорость метания в радиальную скорость сжатия материала облицовки. В результате этого формируется кольцевая кумулятивная струя которая соударяется на оси симметрии заряда до прихода центральной части облицовки, формируя высокоскоростную массивную кумулятивную струю в направлении по оси симметрии заряда в сторону от его выемки. Оконечная часть струи подпирается и ускоряется материалом центральной части облицовки с малой плотностью материала. Для согласования времен формирования высокоскоростной кумулятивной струи и струи из центральной части облицовки они выполняются разнотолщинными. Так как облицовка с большей плотностью материала метается с меньшей скоростью, то процесс повторяется и формируется кумулятивная струя 7 и материала с большей плотностью. В результате формируется составная непрерывная кумулятивная струя из материалов с различной плотностью с непрерывным, гладким градиентом скорости, позволяющим растянуть струю и создать оптимальные фокусные расстояния для различных участков струи с различной плотностью. Отметим, что часть составной кумулятивной струи с большей плотностью материала имеет более низкую критическую скорость, чем высокоскоростная часть кумулятивной струи из материала с меньшей плотностью. Критическая скорость, это минимальная скорость кумулятивной струи, при которой она может совершить полезную работу по пробитию для данных соотношений плотностей материалов струи преграды.
При малых отношениях толщины облицовки к входному диаметру преобразователя, волны разряжения существенно снижают значения параметров ударной волны еще до прихода на ось симметрии, что приводит к меньшему росту скорости передней поверхности метаемого материала облицовки. Одновременно на стенках преобразователя образуется кольцевая струя, опережающая материал облицовки на оси симметрии заряда и с углом схождения на ось симметрии более 180 градусов. При соударении ее, на оси симметрии заряда, формируется высокоскоростное массивное тело, которое поджимается далее материалом облицовки.
В начале процесса формирования кумулятивной струи из алюминиевой облицовки, максимальная осевая скорость У2 материала облицовки по оси симметрии заряда равна 3.59 км/с , а скорость боковых (кольцевых) струй 5.23 км/с, радиальная скорость Уг -2.7 км/с. Максимальная скорость осевая У2 материала облицовки из свинца по оси симметрии заряда 2.7 км/с. Далее боковые кольцевые струи схлопываются на оси симметрии заряда и поджимаются своеобразным поршнем из материала облицовки, формируя высокоскоростное тело с максимальной скоростью 10.55 км/с. Максимальный диаметр формируемого алюминиевого тела 12.7 мм. Материал алюминиевой облицовки, после взаимодействия с внутренней поверхностью фокусирующего формирователя полностью ушел на формирование высокоскоростного тела. Пест в этой струе отсутствует.
В результате возникших градиентов скоростей вдоль алюминиевой струи она увеличивает свою длину. При этом произошел откол материала струи от ее головной части со скоростью 9.8 км/с, максимальная скорость основной струи стала 9.02 км/с. Диаметр алюминиевой струи 8 уменьшился до 9.3 мм. Происходит одновременный процесс формирования высокоскоростного тела из второй облицовки.
Первое тело пробивает слой жидкости между перфоратором и обсадной трубой, слой цементного камня и некоторую часть породы. Второе рабочее тело вслед за первым пробивает далее канал в горной породе. Первое тело, таким образом, не только преодолевает первоначальные преграды, но и обеспечивает большее дополнительное пространство, создающее оптимальное фокусное расстояние, с которого реализуется его наибольшее пробивное действие. Получаем своеобразный тандемный заряд.
Сформированная алюминиевая струя с фокусного расстояния 45 мм пробивает в железной стенке толщиной 10 мм отверстие со входным отверстием 20-21 мм и выходным порядка 26 мм.
Известны две разновидности тандемных зарядов [7], отличающихся очередностью срабатывания входящих в их состав кумулятивных зарядов. В одной из них, первой срабатывает кумулятивный заряд, установленный спереди, а во второй схеме первым срабатывает кумулятивный заряд установленный сзади. Подобные заряды ориентированы на получение максимальной глубины пробития мишени.
В данном кумулятивном перфораторе используется только один заряд ВВ и две или более облицовок. При этом отсутствует узел задержки между зарядами. Все это позволяет уменьшить продольные габариты тандемного перфоратора.
В процессе движения кумулятивных высокоскоростных тел происходит их разделение. Минимальная скорость алюминиевой струи равна 3.14 км/с, а максимальная скорость струи из свинца равна 3.1 км/с. Формируется непрерывное высокоскоростное тело из двух или более материалов: высокой и низкой плотности. Диаметр сформированного тела около 6-6.5 мм.
Особенностями подобных зарядов является то, что максимальные скорости формируемых высокоскоростных тел значительно больше по сравнению с максимальными скоростями, получаемыми из широкоугольных облицовок, как в прототипе. Получаемые минимальные скорости составной кумулятивной струи достаточны для пробития бетона, а большой диаметр струй приводит к перфорации отверстия большого диаметра.
Аналогичным способом может быть реализован заряд, содержащий три и более облицовок, например, из тантала, цинка и алюминия.
В работе предложен новый принцип формирования составной кумулятивной струи. Использование данного метода позволит получить длинные составные кумулятивные струи из различных материалов с максимальной скоростью головной частью головной частью струи, с возможностью управления распределения плотности материала струи вдоль струи и повысить эффективность пробития в 1.5- 2 раза.
Работа частично поддержана грантом РФФИ 15-03-00691.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Средства поражения и боеприпасы / А.В. Бабкин, В.А. Велданов, Е.Ф. Грязнов и др.; Под общ. Ред. В.В. Селиванова. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 984 с.
2. Патент РФ №2250359, МПК Е21В43/117, F42B1/028, опубл. 20.04.2005.
3. Положительное решение по заявке № 2013145542, Способ получения составных кумулятивных струй в зарядах перфораторах.
4. Минин В.Ф., Минин И.В., Минин О.В. Физика гиперкумуляции и комбинированных кумулятивных зарядов. Новосибирск: ООО «Новополиграфцентр», 2013 - 272 с.
5. Патент 2412338 Российская Федерация, МПК Е43/117, F42B1/02. Способ и устройство (варианты) формирования высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин с глубокими незапестованными каналами и с большим диаметром / Минин В.Ф., Минин И.В., Минин О.В.; заявл. 07.12.2009; опубл. 20.02.2011, Бюл. №5. - 46 с.
6. Computational fluid dynamics. Technologies and applications / Ed. By Igor V. Minin and Oleg V. Minin. Croatia: INTECH- 2011. - 396 p. V. F. Minin, I.V. Minin, O.V. Minin Calculation experiment technology, pp. 3- 28.
7. Минин И.В., Минин О.В. Кумулятивные заряды. - Новосибирск: СГГА, 2013. - 199 с.
© О. В. Минин, В. Ф. Минин, И. В. Минин, 2015
