CN101260799A

CN101260799A - 一种新型射孔弹

Info

Publication number: CN101260799A
Application number: CNA2008101033399A
Authority: CN
Inventors: 李维新; 冯其京; 郝鹏程; 何长江; 杭义洪; 陈贤林
Original assignee: INSTITUTE OF APPLIED PHYSICS AND COMPUTATIONAL MATHEMATICS
Current assignee: INSTITUTE OF APPLIED PHYSICS AND COMPUTATIONAL MATHEMATICS
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2008-09-10

Abstract

本发明属于石油生产领域，具体涉及到一种新型射孔弹。本发明的射孔弹是以现有的射孔弹为基础，在弹内部设置一个爆轰波整形器，有效阻碍爆轰波的传播，延迟爆轰波传到整形器底部的时间，确保传爆药通道中的爆轰波先到达主装药交界面处，使主炸药中生成的爆轰波能更有效地对药型罩作用，从而提高了炸药能量利用率，增大了射流的速度、质量和动能，增强了射孔能力，可以对油井的穿孔深度更深。

Description

一种新型射孔弹

技术领域

本发明属于石油生产领域，具体涉及到一种新型射孔弹。

技术背景

现在各油田的采油，是在打出的油井内从上到下放置一系列射孔弹(一般每米长度放13～16发，且相位各异，如图1所示，利用射孔弹爆炸产生的金属射流，在井壁上射出一系列深孔，此后，油井才开始出油。射流的能量越高、速度越大，则射穿的孔就越深，油井的出油率就越高。所以，射孔这一环节对采油至关重要，石油部门将它比喻为石油生产全过程的最后“临门一脚”。穿孔深度已成为评定射孔弹性能优劣的重要指标。提高射孔弹的穿孔能力也是各射孔弹研制和生产部门的追求目标。

现有的石油射孔弹是一个轴对称旋转体，由金属粉末制成的药型罩(亦称聚能罩)、弹壳、炸药装药、引爆装置(雷管或导爆索)等组成，其结构剖面示意图如图2所示。其作用原理是：由雷管引爆其相邻处的炸药，生成爆轰波，该波进一步发展并向前传播，如图3所示，陆续将全部主装药引爆，产生高温高压，将金属粉末药型罩压跨，迅速向内聚拢，在对称轴上发生强烈碰撞，产生一束沿对称轴射出的高温高速金属射流。射孔弹从起爆到射流形成全过程的数值模拟结果如图6所示。

上述现有射孔弹的爆炸都是由雷管一点引发的，这种引爆方式统称为点爆方式，它引爆装药后所生成的爆轰波，其波形基本上是以引爆点为圆心的球面波，它在弹内炸药中的传播，是沿着药型罩表面“滑移”，即所谓的“滑移爆轰”，如图3所示。由于爆轰波后爆炸产物(气体)的运动方向与爆轰波的运动方向相同，因此爆炸产物也是沿着药型罩表面滑移，而不是朝向药型罩运动。因此，爆炸产物的大部分动能就没有直接作用在药型罩上用于对罩压跨，而是沿其运动方向向外作用，被损失掉了。通常，炸药爆炸的能量只有少部分能够有效地作用于药型罩而转化为射流的动能。通常把射孔弹的射流动能与装药总能之比叫做射孔弹的能量利用率。如何提高能量利用率，使射孔弹的有限装药的能量尽可能多地转化为射流动能，是射孔弹研制的一个重要努力方向。

发明内容

本发明为解决上述现有技术的不足，提出一种新型石油射孔弹，该弹是以现有的射孔弹为基础，在弹内部加装一个爆轰波整形器，从而提高了炸药能量利用率，增大了射流的速度、质量和动能，增强了射孔能力。

本发明的上述目的是通过下面的技术方案实现的：

一种新型射孔弹，包括弹壳、引爆装置、主装药、传爆药和药型罩，所述药型罩的顶端置有一整形器，所述整形器与弹壳之间的间隙构成传爆药通道；所述整形器中的冲击波晚于所述传爆药的爆轰波到达主装药。

上述整形器轴对称。

上述整形器是一个圆台，所述整形器的一端与药型罩的顶端接触。

上述整形器是一端有凹陷的圆台，所述凹陷区域与所述药型罩的顶端相匹配。

对于127型和178型射孔弹，上述整形器的厚度为5～10mm，底面直径约为20～25mm。

整形器的作用在于有效阻碍爆轰波的传播。当爆轰波碰到整形器时，将在整形器内产生一个冲击波，冲击波的速度和压力较低，从而延迟爆轰波传到整形器底部的时间，使传爆药通道中的爆轰波先到达主装药交界面处，确保对主装药实现环形引爆。整形器的材料是低密度、低声速的惰性材料，且有一定强度，保证整弹生产中压装炸药时整形器不会被压坏。低密度指密度低于1.5g/cm³，低声速指声速低于3.0km/s，整形器的形状是一个轴对称圆台，在弹体内置放于药型罩的顶端，与弹壳之间留有一定空间供填装传爆药，原则是要有利于射流的形成。图4是本发明的射孔弹结构的剖面示意图。

本发明的作用原理如下：

由引爆装置雷管引爆邻近的传爆药，由此生成的爆轰波在传播初期将先碰到整形器，波面的一部分将受阻被隔断，而波面未受阻部分将沿整形器与弹壳之间填满传爆药的通道继续传播，当波传到通道的端面处将与主装药相碰并引爆主装药。如图5所示，看到的该端面实为一个旋转环面，所以，主装药是在该环面上被引爆，即以“环爆”方式被引爆。此环爆将在主装药中生成一个基本向内传播的爆轰波，该波对药型罩的作用则接近于一种正面冲压，这种作用大大强于“滑移”的作用，可使更多的爆轰能量用于对药型罩压垮，从而使产生的射流速度更大，能量更高，对油井的穿孔深度更深。本发明的新型射孔弹射流形成过程的数值模拟物质图如图7所示。

本发明的效果与传统的射孔弹相比较，具有如下的优点和积极效果：

1、由于把对主装药的引爆方式由“点爆”变成了“环爆”，使得在主装药中生成的爆轰波对药型罩的作用大大强于“点爆”的作用，使更多的爆轰能量用于对药型罩压垮；

2、将爆轰波对药型罩的作用由“滑移”变成了“正碰”，滑移对药型罩只产生侧压作用，而正碰的作用则是正压加冲击，这就大大增强了爆轰推动药型罩的作用力；

3、爆轰波后爆炸产物的运动由向外飞散变成了向内冲向药型罩，这就减少了爆轰能量的外飞损失，可以使更多能量用于对药型罩做功；

综合以上结果，新型射孔弹提高了炸药能量利用率，增大了射流的速度、质量和动能，增强了射孔能力，对油井的穿孔深度更深。

附图说明

图1射孔弹装枪示意图；

其中，1-套管，2-水，3-射孔枪，4-水泥；

图2传统的射孔弹剖面示意图；

其中：1--雷管，2--主装药，3--药型罩，4--弹壳；

图3传统的射孔弹作用原理示意图；

图4本发明的新型射孔弹剖面示意图；

其中：1-雷管，2-主装药，3-药型罩，4-弹壳，5-传爆药，6-整形器；

图5本发明的新型射孔弹作用原理示意图；

图6传统的射孔弹射流形成过程的数值模拟物质图；

其中：(a)为t＝0μs时刻的物质图；

(b)为t＝10μs时刻的物质图；

(c)为t＝15μs时刻的物质图；

(d)为t＝38μs时刻的物质图；

图7本发明的新型射孔弹射流形成过程的数值模拟物质图；

其中：(a)为t＝0μs时刻的物质图；

(b)为t＝7μs时刻的物质图；

(c)为t＝12μs时刻的物质图；

(d)为示t＝38μs时刻的物质图；

图8射孔弹射流形成试验结果与数值模拟结果的比较图；

其中：纵坐标Y是旋转体剖面径向坐标，横坐标Z是旋转体的轴向坐标；

(a)表示t＝16.6μs时的射孔弹射流形成试验结果与数值模拟结果的比较图；

(b)表示t＝26.8μs时的射孔弹射流形成试验结果与数值模拟结果的比较图；

(c)表示t＝31.8μs时的射孔弹射流形成试验结果与数值模拟结果的比较图；

具体实施方式

实施例1

目前，射孔弹的设计主要通过理论分析、数值模拟以及实验来完成，而数值模拟由于周期短、成本低，越来越受到国内外射孔弹生产厂家的重视。本实施例所用的数值模拟程序为两步欧拉程序，可以模拟的问题包括：

(1)爆轰波的形成、传播及其与其它介质的相互作用等爆轰问题；

(2)高温高压下射流的形成、运动、延展、断裂等物质运动问题；

(3)射流对靶的侵彻及靶的成坑和动态响应等侵彻问题；

所以用来模拟石油弹射孔问题比较合适。

作为计算程序的校验和与试验结果的对比，本发明把对现有的某127型射孔弹射流形成的数值模拟图像与该弹试验的X光照片进行了对比，图8是两者的对比图，图中的阴影部分为X光拍摄到的弹壳膨胀情况和射流形态，实线则是数值模拟给出的对应结果。从图看到，数值模拟结果与试验实测结果符合得很好，这表明，本发明所用的数值模拟程序能够正确反映射流形成过程及其结果。

关于射流对混凝土靶的侵彻，本发明也将射流穿靶深度的数值模拟结果与对应的试验结果进行了比较。其试验布置如下：

混凝土靶：按SY/T6297.1-2004《油气井射孔器评价方法第一部分：API推荐的射孔器评价方法》要求，用水泥(A级)、干砂(石英砂)及清水，按1∶2∶0.52(重量比)进行混合制作混凝土，浇注成型后靶表面上覆盖不低于76mm的清水，在0℃以上至少养护28天。

装枪布置：见表1。

试验结果：见表2。

表1三种射孔弹的装枪布置

射孔弹型号	枪型号	孔密(发/m)	相位
射孔弹型号	枪型号	孔密(发/m)	相位	D1	89B16-4	16	4
D2	102B16-4	16	4	D1	89B16-4	16	4
D2	102B16-4	16	4	D3	102B16-4	16	4

表2三种射孔弹穿水泥靶深度结果比较

射孔弹型号	计算值(mm)	试验值(mm)	误差(％)
射孔弹型号	计算值(mm)	试验值(mm)	误差(％)	D1	556	572	2.8
D2	599	573	-4.7	D1	556	572	2.8
D2	599	573	-4.7	D3	624	638	2.2

从射流形成到穿靶结果的对比可以看出，数值模拟结果与试验结果符合得较好，说明数值模拟程序是有效和可靠的。

实施例2：

本发明中整形器的特征：

因增加整形器的作用在于有效阻碍爆轰波的传播。当爆轰波碰到整形器时，将在器内产生一个冲击波，要求冲击波的速度和压力要尽可能低，从而延迟爆轰波传到整形器底部的时间，确保传爆药通道中的爆轰波先到达主装药交界面处；压力低则可降低冲击波意外引爆主装药的概率。确保对主装药实现环形引爆。

根据以上要求，整形器的材料应是低密度和低声速的惰性物质，且须有一定强度，以保证整弹生产中压装炸药时整形器不会被压坏，低密度指密度低于1.5g/cm³，低声速指声速低于3.0km/s。本发明选择的具体材料包括有机玻璃、聚氨脂塑料等。

整形器是一个轴对称圆台，在弹体内置放于药型罩的顶端，与弹壳之间留有一定空间供填装传爆药，原则是要有利于射流的形成。

本发明的整形器在弹体内需满足：1)给传爆药留有合适的传播通道，以保证爆轰波不会在传播通道中熄火；2)确保整形器中的冲击波晚于通道内的爆轰波到达主装药；3)尽可能少占据弹体内宝贵的有限空间，维持在弹内顶部有一定装药量。此外，整形器的大小尺寸还与射孔弹的大小有关。对127型和178型射孔弹的设计来说，其整形器厚度一般为5～10mm，底面直径约为20～25mm。

现列举一些相关数据。有机玻璃的密度为1.185g/cm³，声速为2.572km/s，剪切模量为77.86GPa，屈服强度为0.27GPa。以现在可用的最强的炸药HMX(奥克托今)为例，它的爆速D_J＝9.01km/s，爆压P_J＝39GPa，当它的爆轰波斜碰有机玻璃后，在有机玻璃中产生的冲击波速度D＝6.60km/s，压力P＝22.7GPa，这与爆轰波相比，速度减少了约三分之一，压力降低了近一半。

本发明中的新型射孔弹的加工生产没有困难，它的弹壳、装药和药型罩的加工生产工艺与传统射孔弹的完全一样，新增加的整形器，其材料是现有通用的，加工简单，在弹内的安装也无任何困难。现在所有射孔弹厂都能够立即做出新型弹来。

实施例3

下面给出对不同弹型的新型射孔弹的数值模拟结果，同时也给出与之相对应的没有整形器的传统射孔弹的数值模拟结果，以供对比，如表3所示。

表3中列出数值模拟得出的射流部分重要参量的数值，表中模型代号中-M表示加装了整形器的新型射孔弹。例如，D01是一个传统的射孔弹，而D01-M则是在D01弹中加装整形器后的新型射孔弹。

表中各符号的物理含义如下：U-射流头部速度，M-射流质量，Z-射流长度，E_K-射流动能，L-射流穿透混凝土靶的深度，η＝E_K ^M/E_K-新旧射孔弹的动能比，ξ＝L^M/L-新旧射孔弹穿混凝土靶的深度比(上标M代表新型射孔弹)。

表3射流参量的数值模拟计算结果

以上结果表明，对不同的弹型，本发明的新型射孔弹的射流动能都比传统射孔弹有了较大程度的提高，穿混凝土靶深度也有了明显的增加，说明本发明可以有效提高射孔弹的穿深能力。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种新型射孔弹，包括弹壳、引爆装置、主装药、传爆药和药型罩，其特征在于，所述药型罩的顶端置有一整形器，所述整形器与弹壳之间的间隙构成传爆药通道。

2.如权利要求1所述的一种新型射孔弹，其特征在于，所述整形器轴对称。

3.如权利要求1或2所述的一种新型射孔弹，其特征在于，所述整形器是一个圆台，所述整形器的一端与药型罩的顶端接触。

4.如权利要求1或2所述的一种新型射孔弹，其特征在于，所述整形器是一端有凹陷的圆台，所述凹陷区域与所述药型罩的顶端相匹配。

5.如权利要求3所述的一种新型射孔弹，其特征在于，对于127型和178型射孔弹，所述整形器的厚度是5～10mm。

6.如权利要求3所述的一种新型射孔弹，其特征在于，对于127型和178型射孔弹，所述整形器的圆台底面直径是20～25mm。

7.如权利要求1所述的一种新型射孔弹，其特征在于，所述整形器的材料是低密度和低声速的惰性材料。

8.如权利要求1或7所述的一种新型射孔弹，其特征在于，所述整形器的材料是有机玻璃。

9.如权利要求1或7所述的一种新型射孔弹，其特征在于，所述整形器的材料是聚氨脂塑料。

10.如权利要求1或7所述的一种新型射孔弹，其特征在于，所述整形器的材料密度低于1.5g/cm³，声速低于3.0km/s。