Badania porównawcze liniowych ładunków kumulacyjnych

• Autorzy: Habera Łukasz , Habera Kamil

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2021.06.02

Warianty tytułu

EN

The comparative study of linear shaped charges

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem prezentowanych badań poligonowych była fizyczna weryfikacja zdolności liniowego ładunku kumulacyjnego (LŁK) do perforowania celu wielowarstwowego w warunkach napowietrznych. Zastosowane modele doświadczalne zbliżały układ geometryczny testowany na poligonie do sekcji odwiertu podlegającej zabiegowi perforacji. Seria badań strzałowych obejmowała testy trzech rodzajów ładunków liniowych wytypowanych do stosowania w urządzeniach perforująco-szczelinujących. Testom poddano ładunek: • LŁK w obudowie ołowiowej o przekroju kołowym φ = 40 mm z wgłębieniem kumulacyjnym; • LŁK z miedzianą wkładką kumulacyjną w obudowie stalowej w kształcie trapezu 20/30 mm; • LŁK z wkładką kumulacyjną z litej miedzi w obudowie stalowej w kształcie trapezu 20/40 mm. W trakcie badań rejestrowano prędkość strumienia kumulacyjnego za pomocą układu sond napięciowych rozmieszczonych pomiędzy poszczególnymi warstwami celu złożonego z materiału stalowego i betonu. Metoda badawcza dopasowana do charakteru testów miała na celu zweryfikowanie tezy, czy zaproponowane ładunki kumulacyjne spełniają warunki techniczne i sprawnościowe do efektywnego zastosowania ich w przemyśle naftowym. Poprzez warunki techniczne rozumiemy przede wszystkim gabaryt zewnętrzny umożliwiający posadowienie ładunku wewnątrz rury korpusowej z zachowaniem wymaganego dystansu od ścianki urządzenia. Przyjętym kryterium sprawnościowym była natomiast zdolność lub jej brak do perforowania celu wielowarstwowego w postaci dwóch płyt stalowych i odlewu betonowego. Stanowisko badawcze, z natury rzeczy jednorazowego użycia, każdorazowo składało się z bloczka betonowego o wymiarach 400 mm × 250 mm × 150 mm i wytrzymałości statycznej na ściskanie 20 MPa, na którym położone zostały równolegle dwie płyty stalowe z zachowaniem odstępu równego 20 mm. Grubość płyt to 5 mm i 10 mm. Na wierzchniej płycie stalowej pozycjonowano badany ładunek kumulacyjny w odległości jednego kalibru – czyli dystansu równego rozwartości ładunku trapezowego oraz pełnej średnicy ładunku o przekroju kołowym. Ponadto w płaszczyznach zmiany ośrodka (stal–powietrze; powietrze–stal; stal–beton) zamontowano zestaw napięciowych sond pomiarowych w postaci cienkich pojedynczych przewodów elektrycznych (φ = 0,25 mm). W chwili ich zerwania (przerwania obwodu) w wyniku działania strumienia kumulacyjnego – spadek napięcia w kolejnych sondach pomiarowych zadziała na zasadzie bramki logicznej typu start–stop lub innymi słowy: zero–jeden (0–1). Odczytanie czasów przerwań poszczególnych sond pozwoliło dodatkowo wyznaczyć prędkość strumienia kumulacyjnego i oszacować dynamikę jego wyhamowywania wraz z pokonywaniem kolejnych elementów celu wielowarstwowego.

EN

The fireground tests are the best method for verifying the operation effectiveness of the entire shooting device or its component parts in real conditions. The purpose of the fireground tests presented herein was the physical verification of linear shaped charge (LSC) ability to perforate multi-layered target, reflecting the material and geometrical conditions of a borehole. The series of shooting tests included tests of three types of linear shaped charges selected for use in perfo-fracturing devices. The following shaped charges were tested: • LSC in lead enclosure, having φ = 40 mm circular cross-section with shaped recess; • LSC with copper liner in 20/30 mm steel trapezoid enclosure; • LSC with liner made of solid copper, in 20/40 mm steel trapezoidal enclosure. During testing, the cumulative jet velocity was recorded using voltage type probes, arranged between the individual layers of a target composed of steel and concrete materials. The research method adapted for the project purposes was aimed at verification of the following thesis: whether the proposed shaped charges fulfil the technical and performance conditions for their effective application in the oil industry. The criterion adopted was the ability – or lack of ability – to perforate the multi-layered barrier in the form of two steel plates and concrete casting. The testing stand, single-use by its nature, was each time composed of concrete block having 400 mm × 250 mm × 150 mm dimensions and 20 MPa static compressive strength, on which two steel plates were placed parallel to each other with 20 mm spacing. The thickness of the plates was 5 mm and 10 mm respectively. The tested shaped charge was placed on the top steel plate at a distance of one calibre – that is the distance equal to the opening of the trapezoidal shaped charge and full diameter of circular cross-section charge. Furthermore, within media interface planes (steel/air, air/steel; steel/concrete), the set of voltage-type measuring probes was installed, in the form of single electric wires (φ = 0.25 mm). At an instant when they break (circuit break) as a result of cumulative jet operation, voltage drop in the subsequent measuring probes will act as a logical gate of start-stop type, or in other words the zero-one (0–1) type gate. The readings of individual probes breakage times allowed in addition to determine the velocity of the cumulative jet and to estimate its braking dynamics while passing through the subsequent elements of multi-layered target.

Słowa kluczowe

PL

perfoszczelinowanie; kumulacja detonacyjna; ładunki liniowe

EN

combined; perforating; fracturing; detonation; cumulation; linear charges

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 6
• Strony: 366--375
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz.

Twórcy

autor

Habera Łukasz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Habera Kamil

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Bai X., Liu J., Li S., Lv C., Guo W., Wu T., 2012. Effect of interaction mechanism between jet and target on penetration performance of shaped charge liner. Materials Science and Engineering A, 553: 142–148. DOI: 10.1016/j.msea.2012.06.003.
• Borkowski J., Wilk Z., Koślik P., Szymańczyk L., Zygmunt B., 2018. Application of sintered liners for explosively formed projectile charges. International Journal of Impact Engineering, 118: 91–97. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2018.04.009.
• Cheng X., Huang G., Liu C., Feng S., 2018. Design of a Novel Linear Shaped Charge and Factors Influencing its Perforation Performance. Applied Sciences, 8(10): 1863. DOI: 10.3390/app8101863.
• Guo H., Zheng Y., Yu Q., Ge Ch., Wang H., 2019. Penetration behaviour of reactive liner shaped charge jet impacting thick steel plates. International Journal of Impact Engineering, 126: 76–84. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2018.12.005.
• Guo W., Liu J., Xiao Y., Li S., Zhao Z., Cao J., 2016. Comparison of penetration performance and penetration mechanism of w-cu shaped charge liner against three kinds of target: Pure copper, carbon steel and Ti-6Al-4V alloy. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 60: 147–153. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2016.07.015.
• Habera Ł., Hebda K., 2020. Testing the effectiveness of multi-layer target penetration by linear shaped charges. Nafta-Gaz, 12: 919–928. DOI: 10.18668/NG.2020.12.05.
• Han Ch., Du M.H., Ference B., 2010. Effect of Shaped Charge Case Materials on Perforating Guns. International Oil and Gas Conference and Exhibition in China, Beijing, China. DOI: 10.2118/130477-MS.
• Ho J., Lough C.S., Mulligan P., Kinzel E.C., Johnson C.E., 2018. Additive Manufacturing of Liners for Shaped Charges. Solid Freeform Fabrication 2018. Proceedings of the 29th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium – An Additive Manufacturing Conference.
• Koślik P., Wilk Z., Frodyma A., Habera Ł., 2014. The split shot – Simulation study and testing effectiveness of the new tool for regaining circulation in borehole. Nafta-Gaz, 12: 891–898.
• Saran S., Ayisit O., Yavus M.S, 2013. Experimental Investigations on Aluminum Shaped Charge Liners. Procedia Engineering, 58: 479–486. DOI: 10.1016/j.proeng.2013.05.055.
• Satti R.P., White R., Ochsner D., Osarumwense O., Zuklic S.N., Sampson T., 2016. New Insights into Optimizing Perforation Clean Up and Enhancing Productivity with Zinc-Case Shaped Charges. SPE International Conference & Exhibition on Formation Damage Control, Lafayette, Louisiana, USA. DOI: 10.2118/178935-MS.
• Shuai C., Wei-bing L., Xiao-ming W., Wen-jin Y., 2017. Penetration research of dual mode penetrator formed by shaped charge with wave sharper. Procedia Engineering, 173: 57–64. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.12.022.
• Wang Ch., Xu W.L., Yuen Ch. K., 2018. Penetration of shaped charge into layered and spaced-apart concrete targets. International Journal of Impact Engineering, 112: 193–206. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2017.10.013.
• Zhao Z., Liu J., Guo W., Li S., Wang G., 2016. Effect of Zn and Ni added in W–Cu alloy on penetration performance and penetration mechanism of shaped charge liner. Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 54: 90–97. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2015.07.022.
• Zuklic S., Myers B., Satti R., 2016. Field Application Study of Zinc Based, Low Debris Perforating Charges. SPE International Conference & Exhibition on Formation Damage Control, Lafayette, Louisiana, USA. DOI: 10.2118/178934-MS.
• Zygmunt B., Wilk Z., Koślik P., 2014. On concept of sintered metallic liners for EFP charges. Problemy Mechatroniki, Uzbrojenie, Lotnictwo, Inżynieria Bezpieczeństwa, 5, 2(16): 63–76.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).