CN111894533A - 一种含能粉末药型罩 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含能粉末药型罩，适用于石油开采行业的自清洁射孔弹，所述含能粉末药型罩为变壁厚的锥形药型罩，其顶部外壁面为平面，内壁面为圆弧过渡。所述含能粉末药型罩的口径在Ф32mm～Ф46mm范围之内，材料为50%～85%铜粉、10%～25%锆基非晶粉末和5%～25%钨粉的混合物，混合物的总质量分数为100%。本发明所述含能粉末药型罩的穿孔孔径可提高10%～25%，穿孔深度基本保持不变，能够达到自清洁、无杵堵、大孔径、高穿深的效果。
Description
技术领域
本发明属于射孔技术领域，具体涉及一种含能粉末药型罩，适用于石油开采行业的自清洁射孔弹。
背景技术
石油是现代工业和现代文明的物质基础，是现代经济发展无法忽视的重要能源和重要工业原料，各行各业对石油有很高的依赖性。目前我国大型油田已经进入中后期高含水、高采油速率、高采出程度的“三高”开采阶段，给石油开发的开源节流工作提出了严峻的挑战。高效射孔完井技术是提高石油产能的关键技术，具体包括聚能射孔技术、复合射孔技术等。石油射孔弹是油井产能和效益的倍增器，药型罩是石油射孔弹最主要的部件。炸药起爆后，压垮的药型罩会迅速汇聚形成金属射流，金属射流侵彻后所形成的穿孔孔径和穿孔深度的大小直接影响着油井产率比。传统的石油射孔弹药型罩多使用紫铜材料，此单质金属材料形成的射流在侵彻过程中容易产生杵堵，具体表现为杵堵扩孔现象严重，极大的影响油气井的出油率。
目前，聚能射流的穿深能力较强，一般可达到8～10倍装药口径，但是侵彻后形成的穿孔孔径较小，使得实际油气通路的渗流面积并不大，导致渗透率较低；而且在射流侵彻过程中，孔道周围会产生压实带，增加孔道的流动阻力，从而降低产能，同时还会造成近井地带的污染。因此，在保证穿深的前提下增大射孔孔径，减少油井污染是射孔技术领域以及石油开采行业需要迫切解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含能粉末药型罩，通过改进药型罩的材料配比，使其穿孔达到自清洁、无杵堵、大孔径、高穿深的效果，这些效果对提高油井产能具有重要作用，可为石油行业带来巨大的经济利益。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种含能粉末药型罩，适用于石油开采行业的自清洁射孔弹，所述含能粉末药型罩为变壁厚的锥形药型罩，其顶部外壁面为平面，内壁面为圆弧过渡。
所述含能粉末药型罩的口径在Ф32mm～Ф46mm范围之内。
所述含能粉末药型罩的材料为50％～85％铜粉、10％～25％锆基非晶粉末和5％～25％钨粉的混合物，混合物的总质量分数为100％。
一种含能粉末药型罩的制备方法，方法流程如下：
步骤1、将铜粉、锆基非晶粉末钨粉按照给定的质量百分比在球磨机中混粉；
步骤2、三种粉末混合均匀之后，根据所制药型罩的重量称取等量的混粉；
步骤3、将称取的混合粉末在旋粉机中旋粉；
步骤4、根据药型罩的形状压制成型。
一种应用含能粉末药型罩的自清洁射孔弹，包括自内向外依次设置的药型罩、炸药和弹体，弹径在Ф40mm～Ф54mm范围之内，不采用隔板。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)以铜粉为基础使得药型罩可形成具有一定延展性不易断裂的金属射流；高密度、高声速的钨粉的加入增加了药型罩的密度、声速，可以提高金属射流的侵彻威力；锆基非晶粉末的加入使得射流在侵彻过程中发生氧化反应释放能量从而提高开口孔径。
(2)所述含能粉末药型罩所形成射流的侵彻能力较常规药型罩所形成射流的侵彻能力有所提高，特别是在开口孔径方面。
(3)在原有药型罩结构的基础上改变其材料配比，很大程度上降低了升级产品的经济开支。
(4)所述含能粉末药型罩的穿孔孔径可提高10％～25％，穿孔深度基本保持不变，能够达到自清洁、无杵堵、大孔径、高穿深的效果。
附图说明
图1是本发明所述的含能粉末药型罩的结构示意图。
图2是应用本发明所述的含能粉末药型罩的射孔弹结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
药型罩的结构对射孔弹的性能有很大的影响，在其他条件一致的情况下，可以说药型罩结构设计的水平，决定了射孔弹的侵彻性能。本发明所用的药型罩为变壁厚的锥形药型罩。药型罩的口径在Ф32mm～Ф46mm范围之内。药型罩外壁面(与装药接触的部分)为平面，内壁面为圆弧过渡(即圆角)。
结合图1和图2，本发明所述含能粉末药型罩适用的自清洁射孔弹包括自内向外依次设置的药型罩3、炸药2和弹体1，所述射孔弹的弹径在Ф40mm～Ф54mm范围之内，不采用隔板。药型罩3所形成的金属射流的速度与所用炸药2密切相关。要获得更高的射流速度，需用高密度、高爆速的炸药，可选用的炸药有黑索金、以黑索金为主体的混合炸药、奥克托金、以奥克托金为主体的混合炸药等。所述炸药2采用收敛性装药结构，包括自下向上面积递减且依次连接的圆柱、第一圆台和第二圆台，第二圆台顶面直径最小，其高度根据“有效装药”的原则设计。炸药2内壁开有与药型罩3外壁形状相匹配的凹槽，用于装配药型罩3。
金属射流质量好坏、形成穿孔深度、孔径都与药型罩3的材料有密切的关系。要想得到破碎性好、侵彻之前不断裂且侵彻能力强、渗透率高的金属射流，就要求药型罩材料具有密度高、延展性好等特点。本发明所述的含能粉末药型罩的材料采用铜粉、锆基非晶粉末和钨粉的混合物。
铜粉有一定的强度且具有密度高、声速大、塑性好、熔点适中、价格便宜等特点，能够形成延展性好、不易断裂、不气化的金属射流，在粉末药型罩中添加高声速的铜粉可以提高金属射流的头部速度。钨粉密度高、声速适中、熔点高。在粉末药型罩中添加高密度的钨粉可以提高金属射流的侵彻威力，缩短侵彻时间。熔化的金属材料，其内部原子十分活跃。当熔化的金属以极快的速度冷却时，原子来不及形核长大，而凝固成非晶状态。锆基非晶合金是非晶合金材料体系中发展迅速的一种新型材料，具有高抗拉强度、高弹性能、高冲击断裂性能、高耐腐蚀性、良好延展性、优异的固有低频振动阻尼性能、高电催化活性、良好的动态压缩性能以及正应变率效应等许多优异的特性。其处于能量上的亚稳定状态，其各组元之间具有高能负混合含，能够发生强烈的放热反应。但是，由于锆基非晶内部其不存在滑移、晶格崎变，其塑性很差。若将Zr基非晶材料应用于药型罩，在射流侵彻过程中冲击诱发化学反应产生大量气体、热，类似于爆燃，使孔道内的压力急剧增加，既可以增加径向开孔孔径，也可以清除孔道内的金属粉末和岩石碎屑，摧毁压实带，优化整个孔道流动性能，在实现横向扩孔和清洁孔道效果上具有极大的潜力。
本发明所述含能粉末药型罩的制备流程如下：
步骤1、将铜粉、锆基非晶粉末钨粉按照给定的质量百分比在球磨机中混粉；
步骤2、三种粉末混合均匀之后，根据所制药型罩的重量称取等量的混粉；
步骤3、为了使药型罩的密度均匀一致，在压制之前，将称取的混合粉末在旋粉机中旋粉；
步骤4、根据药型罩的形状压制成型。
本发明所提出的含能粉末药型罩结合了铜粉的高密度、高塑性、高声速，钨粉的高密度，锆基非晶粉末的含能等特点。结合了各种粉末的优良性能的含能粉末药型罩在穿孔时表现出了自清洁、无杵堵、大孔径、高穿深的效果。
实施例
本实例给出含能粉末药型罩的材料配比以及各个材料的配比范围。
含能粉末药型罩的材料配比和加工工艺是影响射孔弹开口直径和穿深的主要因素。针对双层含能药型罩结构复杂、加工困难，本发明以现有的药型罩模具为基础，提出一种含能粉末药型罩，该药型罩的材料以铜粉、钨粉、锆基非晶粉末为主。其中铜粉占比50％～85％、钨粉占比5％～25％、锆基非晶粉末占比10％～25％针对以上三种材料进行了正交试验设计。
表1 正交试验设计表(wt.％)
选择以下三个编号配比进行试验，编号4：W15％、非晶Zr20％、Cu65％；编号7：W20％、非晶Zr20％、Cu60％；编号1：W25％、非晶Zr20％、Cu55％。
实施例1：编号4
本实例给出的含能粉末药型罩材料为W15％非晶Zr20％Cu65％时侵彻45钢、混凝土的穿孔性能与常规单层变壁厚药型罩的对比实验数据。
表2 不同材料粉末药型罩侵彻45钢
表3 不同材料粉末药型罩侵彻混凝土
实验数据表明，含能粉末药型罩材料为W20％非晶Zr20％Cu60％时，对于侵彻45钢，其开口孔径提高了12.7％；对于侵彻混凝土，其开孔孔径与常规单层变壁厚药型罩的开口孔径相当。
实施例2：编号7
本实例给出自清洁射孔弹用含能粉末药型罩材料为W20％非晶Zr20％Cu60％时侵彻45钢、混凝土的穿孔性能与常规单层变壁厚药型罩的对比实验数据。
表4 不同材料粉末药型罩侵彻45钢
表5 不同材料粉末药型罩侵彻混凝土
实验数据表明，含能粉末药型罩材料为W20％非晶Zr20％Cu60％时，对于侵彻45钢，其开口孔径提高了8.9％；对于侵彻混凝土，其开孔孔径提高了1.3％。与含能粉末药型罩材料为W15％非晶Zr20％Cu65％，对于侵彻45钢其开孔孔径二者相当，对于侵彻混凝土提高了4.8％。
实施例3：编号1
本实例给出自清洁射孔弹用含能粉末药型罩材料为W25％非晶Zr20％Cu55％时侵彻45钢、混凝土的穿孔性能与常规单层变壁厚药型罩的对比实验数据。
表6 不同材料粉末药型罩侵彻45钢
表7 不同材料粉末药型罩侵彻混凝土
实验数据表明，含能粉末药型罩材料为W25％非晶Zr20％Cu55％时，对于侵彻45钢，其开口孔径提高了20.4％；对于侵彻混凝土，其开孔孔径提高了7.4％。与含能粉末药型罩材料为W15％非晶Zr20％Cu65％，对于侵彻45钢其开孔孔径提高了6.8％，对于侵彻混凝土提高了8.1％。与含能粉末药型罩材料为W15％非晶Zr20％Cu65％，对于侵彻45钢其开孔孔径提高了9.5％，对于侵彻混凝土提高了5.6％
试验表明，含能粉末药型罩的穿孔孔径可提高10％～25％，穿孔深度基本保持不变，能够达到自清洁、无杵堵、大孔径、高穿深的效果。
Claims (10)
1.一种含能粉末药型罩，适用于石油开采行业的自清洁射孔弹，其特征在于：所述含能粉末药型罩为变壁厚的锥形药型罩，其顶部外壁面为平面，内壁面为圆弧过渡。
2.根据权利要求1所述的含能粉末药型罩，其特征在于：所述含能粉末药型罩的口径在Ф32mm～Ф46mm范围之内。
3.根据权利要求1所述的含能粉末药型罩，其特征在于：所述含能粉末药型罩的材料为50%～85%铜粉、10%～25%锆基非晶粉末和5%～25%钨粉的混合物，混合物的总质量分数为100% 。
4.一种含能粉末药型罩的制备方法，其特征在于，方法流程如下：
步骤1、将铜粉、锆基非晶粉末钨粉按照给定的质量百分比在球磨机中混粉；
步骤2、三种粉末混合均匀之后，根据所制药型罩的重量称取等量的混粉；
步骤3、将称取的混合粉末在旋粉机中旋粉；
步骤4、根据药型罩的形状压制成型。
5.根据权利要求4所述的含能粉末药型罩的制备方法，其特征在于：步骤1中，铜粉、锆基非晶粉末钨粉的质量分数如下：50%～85%铜粉、10%～25%锆基非晶粉末和5%～25%钨粉，三者总质量分数为100% 。
6.根据权利要求4所述的含能粉末药型罩的制备方法，其特征在于：步骤4中，所述含能粉末药型罩为变壁厚的锥形药型罩，其顶部外壁面为平面，内壁面为圆弧过渡。
7.一种应用含能粉末药型罩的自清洁射孔弹，其特征在于：包括自内向外依次设置的药型罩（3）、炸药（2）和弹体（1），弹径在Ф40mm～Ф54mm范围之内，不采用隔板。
8.根据权利要求7所述的应用含能粉末药型罩的自清洁射孔弹，其特征在于：所述药型罩（3）为变壁厚的锥形药型罩，其顶部外壁面为平面，内壁面为圆弧过渡。
9.根据权利要求7或8所述的应用含能粉末药型罩的自清洁射孔弹，其特征在于：所述药型罩（3）的口径在Ф32mm～Ф46mm范围之内。
10.根据权利要求7或8所述的应用含能粉末药型罩的自清洁射孔弹，其特征在于：所述药型罩（3）的材料为50%～85%铜粉、10%～25%锆基非晶粉末和5%～25%钨粉的混合物，混合物的总质量分数为100% 。
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