CN1145470A - 带有波形成形透镜的成型药柱 - Google Patents

带有波形成形透镜的成型药柱 Download PDF

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Abstract

用来产生射流的改进型成型药柱。透镜形波形形成器配置在成型药柱的爆炸材料内，用来把发散的爆震波形变成平面波或收敛波。波形形成器由具有高折射率的低声速材料构成。通过对爆震波的再整形，可以增大成型药柱衬板的加速度并可以增大射流的穿透深度和孔道尺寸。成型药柱的工作效力更高，因而比普通成型药柱需要更少的爆炸材料。

Description

带有波形成形透镜的成形药柱
本发明涉及产生金属射流的成形药柱。本发明尤其涉及一种改进型成形药柱，这种成形药柱包括透镜形波形成器，用来对作用在成形药柱内衬板上的爆震波加以整形。
成形药柱广泛用于石油燃气工业和其它领域里，用来穿透金属、混凝土和其它固体材料。在油井或气井中，金属罩被浇注到钻井上以保持钻孔的牢固性。成形药柱置于罩内空心射枪中或支板上。触发成形药柱使其穿透井罩和碳氢化合物生成区的地质层。碳氢化合物经由穿孔进入罩壳并传输到井面。
普通的成形药柱由药壳、位于壳体内的内凹锥形衬板以及位于衬板和壳体间的高爆材料构成。引爆剂用来引发爆炸材料以产生爆炸波。这一爆炸波使衬板破裂并形成高速金属射流。该射流在穿透井罩和地质层的同时形成一个缓慢运动的尾流。射流特性取决于成形药柱的形状、所释放的能量以及衬板质量和构成成份。
射流的穿透力取决于射流速度和其它参数。影响射流速度的一个因素是爆震波和衬板间的动能转换。这一转换取决于爆震波的作用能量、为时间函数的爆震波的结构以及衬板形状。
在成形药柱内配置了波形形成器以便对部分爆震波加以阻挡并改变爆震波的传输方向。普通的波形形成器一般把成形药柱内的正面引爆点转换为边缘引爆。这种波形形成器主要由木材、聚四氟乙烯、塑料或其它非金属材料构成并且这种波形形成器利用非金属材料通过部分阻挡爆震波的传输来改变爆震波的方向。
尽管普通波形形成器适用于对具有完全发散波前的爆震波加以整形，但是这种波形形成器不能有效地把爆震波的能量聚焦到成形药柱衬板上。因此需要对成形药柱进行改进使其能够有效地对爆震波聚焦。
本发明披露了一种对应引爆剂的成形药柱，用来引发材料穿透射流。爆炸材料可由引爆剂引发以产生发散的爆震波。具有内凹空间的成型衬板与爆炸材料邻近，当受到爆震波冲击时，该成型衬板破裂以形成材料穿透射流。透镜的作用是在爆震波与衬板接触之前对发散的爆震波加以整形。
在本发明的其它实施例中，壳体可以环绕爆炸材料配置。壳体可以含有与爆炸材料接触的椭球形内壁。透镜可以对发散的爆震波加以整形以形成平面波或收敛波，并且可以对透镜的焦点加以选择以便把爆震波聚焦到相对于上述衬板的特定点上。
图1表示了以前技术的成形药柱内的波形成器以及由引爆波产生的波形。
图2表示了本发明的具有透镜波形形成器的一个实施例。
图3表示了本发明的工作过程，说明了由透镜产生的一种波形。
图4为表示透镜相对于爆炸材料和衬板的示意图。
本发明通过对由爆炸材料产生的分散爆炸波聚焦来提高成形药柱的效率。
图1表示了位于壳体12内的普通波形形成器10。爆炸材料14置于壳体12内并由衬板16保持。爆炸材料最好环绕壳体12内轴线配置，从而使通过衬板的爆炸波均匀分布。普通的波形形成器10的典型构成材料为木材、聚四氟乙烯或者类似的低密度材料。
当爆炸材料14由引爆剂18引发时，化学能转化为动能。波形形成器10对由引爆剂18射出的引爆波部分阻挡，从而延缓了引爆波经由波形形成器10的传播。如果壳体12和波形形成器10的末端间的间隙较小，那么引爆波围绕波形形成器10传播并在波形形成器10的每一端产生边缘到爆点19。边缘引爆点19产生的波前沿壳体12的内壁运动并朝着衬板16向内扩散。这样，爆震波的传播由壳体12的内壁导向，爆震波的能量因此而被集聚。壳体12内的爆震波间的相互干涉显然会引起穿过衬板16的爆震波的不均匀分布，从而当爆震波逸出壳体12时使爆震波更加分散。
衬板16可由许多材料构成并可具有多种几何形状。衬板材料包括：铜、铝、贫化铀、钨和其它材料。衬板的典型形状包括：半球形，抛物面形、椭球形，梨形和漏斗形。壳体对于成形药柱的性能而言并非是必不可少的，这是因成形药柱可以由凹形高爆炸药和衬板简单组合而成。
由爆震波引发的衬板16的破裂产生大体上沿平行于爆炸材料14轴线方向运动的金属射流和尾流。在油井或气井中，射流一般在穿过孔塞和钻探泥浆后冲击井罩(未示出)。金属射流以10,000米/秒的高速运动，从而产生很大压差以穿通目标。普通的波形形成器(如波形形成器10)稍微改变了作用在衬板16上的爆震波的冲击角度，从而使气流速度略有增加。
比较起来，本发明对爆震波有显著的改变。图2表示了本发明的一个实施例，其中壳体20内配有爆炸材料14、衬板22和波形形成器24。壳体20会有大体上绕纵向轴线28对称配置的椭圆形衬板壁26。在本发明的一个实施例中，内壁26为环绕纵向轴线28的旋转抛物面，并且在内壁26上没有任何凹槽或凸块。
引爆剂18位于壳体20的闭口端部，衬板22最好通过固定装置(如涨环30)与内壁26连接。部分成形药柱衬板22聚焦在纵向轴线28上的点31上。所得到的聚焦性使衬板22的内爆部分具有更大的速度。在各种试验中，已经实现了高射流速度的15％的性能增益。
波形形成器24形如透镜，包括大体上平坦的表面32和凸面34。在本发明的各种实施例中，波形形成器24形如平凸或凸凸透镜，足以对爆震波进行聚焦。在本发明的其它实施例中，波形形成器24可以使发散的爆震波具有平面波形或其它形状。波形形成器24最好由低声速材料(如铅或贫化铀)构成。这些材料的声速约为普通高爆材料爆炸速度的四分之一，从而使透镜形波形成器24具有高值折射率。
如图3所示，波形形成器24对由爆炸材料14的引爆所产生的爆炸波进行聚焦，把球面发散波转化为图示波形或所需波形(如球面收敛波或平面波)。这样，波形形成器24能够使爆炸波同时对衬板上的几乎所有部分产生冲击作用。这一效应通过增加爆炸波和衬板22间的耦合能量使总体射流速度增大。本发明使爆炸波被再聚焦到特定聚焦点上，而不是象图1所示通过波形形成器10使爆震波改变方向。
本发明的波形形成作用可以由斯耐尔(Snell)定律加以说明，该定律中涉及透镜几何尺寸。透镜焦距、物距、像距和透镜折射率。如果冲击波特性是模仿光学场实现的，那么“透镜折射率”可以定义为爆炸速度与材料振动(声音)速度之比。如果使用低声速材料(如铅或贫化铀)的波形形成器24，那么折射率可以保持较高值(通过减小透镜折射率中的分母)，而且波形形成器24的厚度也可以相应减小。当波形形成器24的尺寸减小时，可以用惰性材料取代少量的爆炸材料。
图4表示了波形形成器24使爆炸波收敛成形的过程。人们所熟知“透镜构成”公式表示为：
1/u+1/v＝1/f
(μ－1)(1/r1＋1/r2)＝1/f
以及μ#＝VD/VS其中u＝透镜和引爆点间的距离
v＝透镜和内爆衬板收敛点间的距离
f＝透镜焦距
r1＝透镜后表面半径(如后表面是平面，则为无限大)
r2＝透镜前表面半径
μ＝透镜折射率
VD＝爆炸材料的引爆速度
VS-引爆压力下的材料振动速度
对于平凸透镜可以根据折射率μ#的已知值、距衬板曲率中心的透镜距离(或v)和距引爆点的透镜距离(或u)来确定透镜半径(r2)。透镜直径等于透镜放置处的壳体开口尺寸并留有少量间隙以保持波形形成器24所有面上的爆炸材料和临界直径。
本发明比普通波形形成器具有许多更加显著的优点；射流速度增加、残余尾流减少等。利用本发明的成形药柱可以得到更深更大的孔道。
尽管根据上述优选实施例对本发明进行了说明，但是显然在不背离本发明范围的情况下，本专业普通技术人员可以对本发明原理进行修改和改进。以上实施例仅仅对本发明原理进行了图示说明，但决不应理解为是对本发明范围的一种限制。

Claims (13)

1.与引爆剂对应的、用来引发材料穿透射流的成形药柱包括；
环绕轴线构成的爆炸材料，可由引爆剂引爆以产生发散的爆震波；
靠近上述爆炸材料的成型衬板，上述衬板围成了一个内凹空间，当受到上述爆震波冲击时，上述衬板的上述内凹空间破裂以形成材料穿透射流；以及
靠近上述爆炸材料的透镜，用来在上述爆震波与上述衬板接触之前对上述发散的爆震波整形，上述透镜由具有高值折射率的低声速材料构成。
2.按照权利要求1的成形药柱，还包括最初保持上述爆炸材料的壳体。
3.按照权利要求2的成形药柱，其特征在于：与上述爆炸材料触接的上述壳体内表面是曲面，以构成围绕上述爆炸材料轴线对称分布的大体上连续表面。
4.按照权利要求3的成形药柱，其特征在于：上述壳体的内表面大体上为抛物面形。
5.按照权利要求1的成形药柱，其特征在于：上述衬板具有弯曲内表面，该弯曲内表面与上述内凹空间触接并沿穿过上述衬板延展的纵向轴线大体上对称分布。
6.按照权利要求5的成形药柱，其特征在于：上述透镜靠近引爆剂的面为大体上平面，上述透镜还包含有与上述平面相对的凸面。
7.按照权利要求5的成形药柱，其特征在于：上述透镜的凸面曲率产生具有和上述衬板的弯曲内表面大体上相同曲率的爆震波。
8.按照权利要求1的成形药柱，其特征在于：上述透镜在上述爆震波接触上述衬板前把上述发散的爆震波整形成平面波。
9.与引爆剂对应的、用来引发材料穿透射流的成形药柱包括：
具有内壁面的壳体；
环绕上述壳体内轴线构成的爆炸材料，可由引爆剂引爆以产生发散的爆震波；
靠近上述爆炸材料的成型衬板，上述衬板围成了一个内凹空间，当受到上述爆震波冲击时，上述衬板的上述内凹空间破裂以形成材料穿透射流；以及
位于上述爆炸材料内的波形形成器透镜，用来在上述爆震波和上述衬板接触之前把上述发散的爆震波整形成收敛的爆震波，上述透镜由具有高值折射率的的低声速材料构成。
10.按照权利要求9的成形药柱，其特征在于：上述衬板具有环绕上述爆炸材料轴线对称分布的椭球形状，上述衬板具有顶脊。
11.按照权利要求10的成形药柱，其特征在于：当上述爆震波与上述衬板接触时，上述波形形成器透镜把上述发散的爆震波整形成大体上符合上述椭球形衬板的形状。
12.按照权利要求10的成形药柱，其特征在于：上述波形形成器透镜使上述爆震波收敛并聚焦到上述衬板的中心。
13.按照权利要求9的成形药柱，其特征在于：上述壳体的内壁面环绕上述爆炸材料的轴线呈椭球形分布。
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