The research of shaped charges with powder liners for geological borehole perforation

• Autorzy: Zygmunt B. , Wilk Z.

Warianty tytułu

PL

Badania ładunków kumulacyjnych z wkładkami proszkowymi do perforacji odwiertów geologicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The characteristics of shaped charges with metal powder liners for perforating of borehole pipes are described. Liners were manufactured using metalic powder technology. Two type of powder liners were made: a homogeneous one made of copper powder and a heavy one made of copper and tungsten powder composition. X-ray pulse technique was applied to research the process of jet stream formation. Radiograms revealed the discontinuous structure of jets formed from powder liners. The corresponding computer simulations of jets formation are presented.

PL

Górnictwo nafty i gazu jest jedną z dziedzin gospodarki, w której ukierunkowana energia detonacji materiału wybuchowego (MW) jest wykorzystywana powszechnie w celu wykonania użytecznej pracy. Wkrótce po II wojnie światowej, doświadczenia uzyskane w konstrukcji przeciwpancernych ładunków kumulacyjnych (LK) zostały wykorzystane w USA do perforacji odwiertów naftowych. Opracowano i wypróbowano różnego rodzaju systemy perforacji oraz inne środki strzałowe z ładunkami kumulacyjnymi służącymi m. in., do obcinania rur okładzinowych, wykonywania szczelin wzdłużnych lub do usuwania twardych przeszkód w czasie wiercenia otworów. Perforacja kumulacyjna polega na utworzeniu kanałów perforacyjnych za pomocą strumieni kumulacyjnych wytworzonych przez odpowiednio rozmieszczone wewnątrz rur okładzinowych odwiertu małogabarytowe ładunki kumulacyjne (rys. I). Technika perforacji kumulacyjnej jest obecnie powszechnie stosowaną metodą uzyskiwania połączenia pomiędzy złożem i otworem geologicznym. Zjawisko kumulacji wybuchowej polega na ukierunkowaniu energii produktów detonacji generowanych przez ładunek materiału wybuchowego posiadający symetryczne wydrążenie zamknięte warstwą metalu, zwykle miedzi lub żelaza (rys. 2). Koncentracja energii produktów detonacji ma miejsce w osi wydrążenia, gdzie w trakcie detonacji ładunku kumulacyjnego następuje dynamiczne zgniecenie metalowej wkładki. W wyniku zderzenia elementów wkładki następuje uformowanie strumienia kumulacyjnego o prędkości 6-8 km/s, który w zderzeniu z przeszkodą wywołuje silny efekt erozji ośrodka i wydrążenie głębokiego otworu. Strumień kumulacyjny stanowi mniejszą część masy wkładki, pozostała część wkładki tworzy zbitkę, która poruszając się z mniejszą prędkością w ślad za strumieniem kumulacyjnym nie wpływa na głębokość przebicia. Z praktycznego punktu widzenia zbitka stanowi bezużyteczny balast i często wpływa szkodliwie na efekt kumulacyjny, np. czopując otwór wydrążony przez strumień kumulacyjny. Wymagania, które powinny spełniać ŁK do perforacji orurowań odwiertu geologicznego są radykalnie odmienne od wymagań stawianych ŁK stosowanym w technice wojskowej, ze względu na radykalnie odmienne warunki zewnętrzne ich stosowania Odwiert zwykle wypełniony jest cieczą (płuczką) o gęstości powyżej I g/cm3. Na głębokości kilku tysięcy metrów ciśnienie wynosi kilkadziesiąt MPa, temperatura znacznie przekraczać może 100°C. Średnica wewnętrzna rur okładzinowych odwiertu geologicznego lub rurek wydobywczych z reguły ogranicza wymiary gabarytowe ładunku (średnica i wysokość) do kilkudziesięciu milimetrów. Mając na uwadze ochronę konstrukcji otworu wiertniczego, dodatkowym ograniczeniem zwiększenia zdolności przebicia przeszkody przez strumień kumulacyjny jest konieczność zminimalizowania masy MW w ładunku. Szczególnie istotnym i specyficznym dla perforacji odwiertów wymaganiem jest warunek, aby tworząca się zbitka kumulacyjna nie czopowała utworzonego przez strumień kumulacyjny kanału perforacyjnego, co było powszechną wadą dotychczas stosowanych ŁK. W niniejszej pracy przedstawiono propozycje konstrukcji oraz właściwości ŁK do efektywnej perforacji z nowym rodzajem wkładek kumulacyjnych wykonanych technologią metalurgii proszków. Dla wybranej do badań konstrukcji ładunku wykonano proszkowe wkładki kumulacyjne jednakowego kształtu (rys. 3) o średnicy podstawy 33,3 mm i kącie wierzchołkowym 45°, różniące się rodzajem materiału, masą, gęstością oraz grubością ścianek. Wkładki kumulacyjne zastosowane w konstrukcji ŁK badanych w niniejszej pracy wykonano metodą prasowania matrycowego z proszków miedzi elektrolitycznej (ECu) oraz z mieszaniny proszku miedzi i proszku metalu o wysokiej gęstości np. wolframu (Ecu/W). W zależności od założonych wymagań, otrzymane wkładki kumulacyjne podlegały dalszym operacjom np. spiekaniu oraz obróbce technicznej i mechanicznej. Jako wzorzec odniesienia do badania właściwości ŁK z nowymi wkładkami służyła tradycyjna wkładka wytłoczona z litej miedzi, powodująca omówiony we wstępie niekorzystny efekt czopowania otworów. Drugi rodzaj badanych wkładek wykonano z proszku miedzi, a trzeci z równowagowej mieszaniny proszku miedzi i wolframu. Duży udział proszku wolframu spowodował W4fost gęstości wkładki o prawie połowę, w porównaniu z gęstością wkładki wykonanej z proszku miedzi. Zaproponowano również wkładkę o budowie warstwowej charakteryzującej się znaczną różnicą gęstości obu warstw - wewnętrznej (z proszku ECu/W) i zewnętrznej (z proszku ECu). Dla każdego z rodzajów badanych wkładek proszkowych przeprowadzono badania optymalizacyjne dotyczące ich masy, którą zmieniano regulując grubość ścianki wkładki. Jako kryterium optymalizacji przyjęto maksymalizację podstawowego parametru ŁK jakim była wartość przebicia stalowej przegrody. W tablicy I zamieszczono podstawowe dane charakteryzujące zastosowane w badanych ŁK proszkowe wkładki kumulacyjne w porównaniu z właściwościami wkładki wykonanej z litej miedzi. Wkładki spiekane z proszków charakteryzowały się większą masą oraz grubszą ścianką w porównaniu z wkładką wykonaną z litej miedzi. Do badania właściwości strumieni kumulacyjnych wytwarzanych w procesie detonacji ładunków z różnymi wkładkami zastosowano sprawdzony w praktyce układ kumulacyjny (rys. 4). Materiałem wybuchowym (MW) zastosowanym do elaboracji ŁK był opracowany przez autorów niniejszej pracy heksoflen (heksogen drobnokrystaliczny flegmatyzowany tworzywem fluoropolimerowym). Ładunki prasowano w temperaturze otoczenia pod ciśnieniem 250 MPa. Gęstość zaprasowanego MW w ładunku wynosiła 1,74 g/cm3. Strumienie kumulacyjne wytwarzane przez ŁK z różnymi rodzajami wkładek badano za pomocą diagnostyki rentgenografii impulsowej. Dzięki krótkiemu czasowi ekspozycji, rzędu 10-8 sekundy, technika ta umożliwia fotografowanie procesu formowania i lotu strumienia kumulacyjnego poruszającego się z prędkością rzędu 105 m/s. Najwyższą prędkość czoła strumienia kumulacyjnego (7500 m/s) zaobserwowano dla ładunku z wkładką wykonaną z litej miedzi (rys. 5). Wkładki z proszku miedzi generują strumienie kumulacyjne poruszające się z prędkością o 300 m/s mniejszą (rys. 6). Strumień kumulacyjny z wkładki proszkowej o zwiększonej gęstości (Cu/W), porusza się z prędkością poniżej 7000 m/s (rys. 7), jednak z uwagi na wysoką gęstość strumienia, zdolność przebijania metalowej przeszkody jest najwyższa. Zdjęcia rentgenowskie strumieni kumulacyjnych wytworzonych z wkładek proszkowych ujawniają typową jak dla strumieni pochodzących z wkładek litych zdolność do zwiększania swojej długości przy zachowaniu ciągłości strumienia (rys. 6 i 7). Wkładka wykonana z mieszaniny proszku miedzi i wolframu, metali różniących się znacznie gęstością, wytwarza regularny strumień kumulacyjny o wysokiej zdolności przebijania przegrody, większej niż dla wkładki miedzianej, pomimo niższej prędkości czoła strumienia. Wytworzony z wkładki proszkowej strumień kumulacyjny zachowuje dyskretną strukturę wyjściowego materiału, co jest szczególnie wyraźne w powiększeniu (zdjęcie dolne na rys. 7). Strukturę taką posiada również zbitka, co powoduje jej niską wytrzymałość mechaniczną, korzystną do zastosowania w perforacji odwiertów geologicznych. Wykonano również komputerową symulację procesu formowania strumienia kumulacyjnego dla obu rodzajów zastosowanych wkładek kumulacyjnych - z litej miedzi oraz z proszku miedzi przy uwzględnieniu porowatości wkładki wykonanej z proszku (rys. 8). Symulacje komputerowe zjawiska kumulacji wykazały dobrą zgodność wyników z danymi eksperymentalnymi. Wyprodukowane według nowej technologii wkładki proszkowe charakteryzują się korzystnymi właściwościami użytkowymi w porównaniu z wkładkami z litej miedzi wytworzonymi technologią obróbki plastycznej.

Słowa kluczowe

EN

borehole perforation; shaped charges; powder liners

PL

perforacja odwiertów; ładunki kumulacyjne; wkładki proszkowe

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 52, no 1
• Strony: 121--133
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Zygmunt B.

autor

Wilk Z.

• Wat Military University of Technology, Ul. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa, Poland,

Bibliografia

• Chanteret P.Y., Lichtenberger A., 1995. Bimetallic Liners and Coherence of Charge Jets. 15th Int. Symposium on Ballistics, Jerusalem, Israel.
• Jach K., 1990. The computer modelling of shaped charge phenomena (in Polish). Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa.
• Jach K., Trąbiński R., Wilk Z., Zygmunt B., 2002. Research of shaped charges with powder liners for perforation of well-bores (in Polish). 4th Int. Conf. on Armament, Waplewo, Poland.
• Jach K., Świerczyński R., Wilk Z., 2004. Modelling of perforation process of borehole pipes of geological wells using shaped charges. J. Tech. Phys., 45, 1, 31-54.
• Kupidura Z., Wilk Z., Zygmunt B., 1998. Application of high energetic compositions containing PTFE to shaped charges (in Polish). Problemy Techniki Uzbrojenia 65, 61-69.
• Tie-Fu W., Zhu He-Rong Z., 1996. Copper-tungsten shaped charge liner and its jet. Propellants, Explosives, Pyrotechnics 21, 193-196.
• Walters W.P., Zukas J.A., 1989. Fundamentals of Shaped Charge. A Wiley-Interscience Publication, New York.
• Wilk Z., Zygmunt B., 2000. Research of explosive properties of RDX and HMX with fluoro-polymer binder (in Polish). 3rd Int. Conf. on Armament, Waplewo, Poland.
• Włodarczyk E., Trąbiński R., Jackowski A., Cudziło S., 1997. The research of cumulative jets properties (in Polish). Biul. WAT 47, 4, 57-72.