CC BY
61
М.А. Илюшин, А.В. Смирнов, А.В. Судариков, И.В. Целинский
Оценка перспективности применения лазерных систем инициирования при перфорировании скважин
Вопросы инициирования взрывчатых веществ (ВВ) световой энергией для использования в горном деле, геофизике и т. д. разрабатывались в последние 30-40 лет. Первые разработки в этом направлении предусматривали использование в качестве источника света газоразрядных ламп, излучение которых по световодам подается непосредственно на ВВ. В дальнейшем в качестве источника излучения стали использоваться лазеры. При этом стоит отметить, что в целом такая схема «источник излучения - световод - ВВ» сохраняется практически во всех разработках. А отличительные признаки в основном появляются при усовершенствовании узлов соединения световода с ВВ или с лазерным источником. Отметим, что почти во всех предложенных в литературе схемах инициирования излучение выводится из световода через торец. Поэтому с каждым детонатором должен быть соединен отдельный световод. Интересна схема системы инициирования пространственноразнесенных взрываемых зарядов, в которой предложена идея последовательного «бокового» вывода излучения из световода. Для этого по поверхности световода последовательно, через требуемые расстояния, делаются специальные окна для вывода излучения в виде сошлифованной площадки на вершине «зигзага», кольца или лунки. Схема с последовательным боковым выводом излучения из световода позволяет получить серьезные преимущества - одним световодом можно инициировать несколько детонаторов, кроме этого можно эффективно осуществить фотоэлектрический контроль целостности оптико-волоконной линии. Однако, при ближайшем рассмотрении возникают серьезные препятствия для технической реализации такой схемы. Так эксперименты, проведенные с образцами волокна с последовательным боковым выводом излучения, показали очень низкую повторяемость и низкую предсказуемость результатов срабатывания оптических детонаторов. Поэтому такую схему вывода энергии из световода для серийного производства считать перспективной нельзя.
Таким образом, проведенный анализ существующих разработок в области оптического инициирования ВВ показывает, что перспективным с точки зрения современного состояния оптической технологии и повторяемости результатов является использование в разрабатываемой схеме лазерных систем инициирования (ЛСИ) лазерного источника излучения, оптически соединенного со светоде-
326
тонатором с помощью световода, причем вывод излучения из световода осуществляется через торец.
На первом этапе работы были проведены экспериментальные исследования, направленные на разработку ЛСИ светочувствительных энергонасыщенных составов, перспективных для использования в перфорационных комплексах при проведении прострелочных работ в скважинах.
Экспериментальные исследования проводились с помощью YAG:Nd - лазера, функционирующего в режиме свободной генерации и модулированной добротности. Длительность импульса YAG:Nd - лазера в режиме свободной генерации составляла 150 мкс. Энергия излучаемого импульса свободной генерации регулировались до необходимой величины путем изменения энергии накачки с последующим ослаблением нейтральными калиброванными на X = 1,06 мкм светофильтрами. Измерение энергетических параметров излучаемого импульса свободной генерации осуществлялось с помощью измерителя ИМО-2Н.
Моноимпульсный режим генерации достигался путем внесения в резонатор лазера пассивного затвора на основе LiF c начальным пропусканием 30 %, что позволило реализовать при длине резонатора лазера 50 см гигантский импульс с длительностью 50 нс и энергией 100 мДж. При длине резонатора 20 см длительность импульса составила 20 нс.
Регулировка энергетических параметров моноимпульсной генерации (без изменения длительности импульса) осуществлялась с помощью управляемого оптического аттеньюатора НПВО, установленного вне резонатора лазера, и калиброванных на X = 1,06 мкм нейтральных светофильтров. Измерение энергетических параметров излучаемого импульса осуществлялось с помощью измерителя ИМО-2Н.
Процесс взаимодействия моноимпульсной генерации со светочувствительным составом исследовался как на основной длине волны X = 1,06 мкм, так и на удвоенной частоте X = 0,53 мкм.
Ввод излучения в световолоконный тракт в обоих режимах генерации осуществлялся с помощью короткофокусной линзы с F = 25 мм. Юстировка входного торца световолокна относительно перетяжки сфокусированного излучения лазера осуществлялось с помощью юстировочного трехкоординатного узла с микрометрическими винтами. Энергия лазерного излучения, прошедшая через световолоконный тракт измерялась с помощью ИМО-2Н на выходном торце световолокна.
Разработанная методика экспериментальных исследований позволила определить значения пороговых энергий инициирования светочувствительного состава ВС-2, состоящего из
327
светочувствительного вещества - комплексного перхлората (5-гидразинотетразол) ртути (II) - 90 % и оптически прозрачного полимера PVMT - 10 %. Пленочные заряды состава ВС-2 были помещены в латунную оболочку диаметром 5 мм и высотой 2 мм. Капсюль с ВС-2 присоединялся непосредственно к выходному торцу стеклянного световолоконного тракта. Результаты
экспериментальных исследований порогов инициирования состава ВС-2 приведены в табл. 1,2.
Таблица 1
Результаты исследований порога инициирования состава ВС-2
в режиме свободной генераци и
№ Диаметр световода (мкм) Энергия подрыва (мкДж) Плотность энергии подрыва (мДж/мм2)
1 1000 5000 6,4
2 500 1900 6,4
3 300 800 11,4
Таблица 2
№ Диаметр Энергия Плотность Примечание
световода (мкм) подрыва (мкДж) энергии подрыва (мДж/мм2)
1 500 210 1,07 ^=1,06 т=50нс
2 500 210 1,07 ^=1,06 т=20нс
3 500 210 1,07 ^=1,06, ^=0,53 т=20нс
4 300 90 1,3 ^=1,06 т=50нс
70 1,0 ^=1,06 т=20нс
50 0,7 ^=1,06 т=20нс
5 200 40 1,33 ^=1,06, ^=0,53 т=20нс
6 200 40 1,33 ^=1,06, т=20нс
Приведенные в табл. 1 и 2 результаты являются средними из 6 экспериментов. Было показано, что при диаметрах световодов, меньше, чем 200 мкм, наблюдалось увеличение пороговой энергии инициирования ВС-2. Причем результаты имели плохую воспроизводимость.
Анализ результатов экспериментальных исследований позволяет сделать следующие выводы.
1. При различных диаметрах световодов плотность энергии на единицу площади поперечного сечения световода, необходимая для подрыва ВС-2, в пределах экспериментальной погрешности
328
практически одинаковая и составляет 6,4-11,4 мДж/мм2 в режиме свободной генерации и 0,70 - 1,33 мДж/мм2 - в режиме моноимпульса.
2. Инициирование ВВ с минимальной энергией лазерного излучения достигается при использовании световодов с меньшим диаметром поперечного сечения.
3. Требуемая плотность энергии в режиме моноимпульсной генерации, необходимая для подрыва ВВ примерно в 10 раз ниже по сравнению с режимом свободной генерации (при одном и том же диаметре световолокна).
4. Уменьшение длительности гигантского импульса от 50 до 20 нс не приводит к существенному уменьшению требуемой энергетики.
5. Моноимпульсная генерация ( = 20 нс) на смеси X=1,06 и X = 0,53 мкм не приводит к существенному уменьшению требуемой энергетики.
6. В лазерных средствах инициирования целесообразно использовать лазерный источник, работающий в режиме моноимпульсной генерации с длительностью импульса не более 20 нс и обеспечивающий совместно с оптической системой плотности энергии на поверхности ВС-2 соответственно с данными табл. 2.
Кроме того, в последнем случае это может быть обосновано энергетическими оценками режимов свободной генерации и модулированной добротности, а именно КПД лазера в режиме свободной генерации превышает КПД в режиме модулированной добротности в 1,5-2,0 раза. Однако требуемая энергетика лазерного излучения, необходимая для подрыва ВВ в режиме модулированной добротности в 10 раз меньше по сравнению с режимом свободной генерации, что делает режим модулированной добротности более предпочтительным.
Принципиально возможны две основные схемы построение ЛСИ с расположением источника инициирующего излучения (лазера) в скважинной части оборудования непосредственно в корпусе перфоратора и расположением этого источника на поверхности в наземной части оборудования.
Схема по второму варианту предполагает использование волоконного кабеля значительной длины, равной длине погружения перфоратора. Эта длина может составить от нескольких сот метров до нескольких километров. Понятно, что основная проблема с реализацией этой схемы заключается в технической возможности изготовления такого кабеля и его цене.
Основной недостаток схемы по первому варианту - размещение лазера с блоком питания в корпусе перфоратора, подверженному воздействию высоких температур, давлений и ударных
329
нагрузок. Разработка такой схемы предусматривает решение ряда конструкторских задач, связанных с обеспечением надежной работы лазерного источника в экстремальных условиях эксплуатации. В настоящее время первый вариант реализации ЛСЭ кажется более привлекательным.
Предварительные расчеты показали, что при использовании стандартного скважинного перфоратора ПК-105, в комплекте которого имеется десять кумулятивных зарядов ЗПК 105-7-00-03, необходим моноимпульсный лазерный источник с энергией импульса -15-20 мДж и оптоволоконный многожильный кварцевый кабель длиной около 1 м. Расчетные габариты лазера будут 30*30*100 мм, что даст возможность легко разместить источник внутри перфоратора. Удешевить ЛСИ в будущем позволит применение мощных лазерных диодов и полимерных оптоволоконных кабелей.
В экспериментальной части работы принимали участие сотрудники МГТУ им Н.Э. Баумана и ООО НПК «Эксплазер».
И.В. Бачурина, А.А. Иванова, М.А. Илюшин, Э.Я. Сеидов, А.М. Судариков, И.В. Целинский, И.В. Шугалей
Биологическая активность комплексных медных солей пурпалда с аминокислотами
Воздействие многих бытовых и техногенных факторов, развитие практически всех патологических состояний, а также процессы физиологического старения у аэробных организмов связаны с образованием активных форм кислорода (АФК) в количествах, отличных от стационарного уровня. Отклонение в концентрациях этих частиц от нормального фонового уровня приводит к процессам пероксидного повреждения важнейших биомолекул (белков, липидов, нуклеиновых кислот, углеводов), что, в свою очередь, вызывает дезорганизацию клеточного метаболизма, нарушение структуры мембран, сбои в функционировании органов и систем. Это носит драматические последствия для организма и в предельном случае приводит к его гибели.
Такие нарушения в функционировании живых систем характеризуются термином “свободнорадикальная патология”, так как в основе повреждения биомолекул лежит осуществление цепных радикальных реакций, инициированных АФК.
Отклонения в генерации АФК и существенные сдвиги в течении свободнорадикальных процессов сопровождают воспалительные заболевания, канцерогенез, различные виды травм, легочную пато-
330
