CN115288639A - 应用于双层套管的射孔弹及制备方法和射孔方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于双层套管的射孔弹及制备方法和射孔方法，射孔弹包括弹壳、传爆药、主装药和复合药型罩，复合药型罩包括侵彻药型罩和活性含能药型罩，侵彻药型罩一端为封闭端，另一端为呈圆环状的开口端，活性含能药型罩内部设置为通孔结构，活性含能药型罩的一个通孔端部粘接在侵彻药型罩开口端部上，且侵彻药型罩和活性含能药型罩为同轴设置。采用本发明后，侵彻药型罩首先形成高速金属射流击穿套管并进入周围岩层，形成射孔通道；后部活性含能药型罩在爆燃药的高温高压产物作用下，形成二次脉冲作用，解决了现有射孔弹药型罩中射流能量明显衰减的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于双层套管的射孔弹及制备方法和射孔方法，属于石油、天然气勘探和开采作业领域。
背景技术
在油气田开发中，高压携砂大排量的压裂施工工艺经常造成岩层蠕变，产生塑性流动，并向井眼中心挤压，形成一种异常外挤力，使标准的套管无法承受，套管在很短的时间内就会发生形变或挤毁。工程上，采用局部双层组合套管结构解决套变问题。
普通射孔器应对双层套管井况，由于穿透双层套管射流能量损失较大，导致外层套管穿孔孔径较小，影响压裂效果，进而影响油气产量。双层套管射孔技术就是为了提高双层套管的穿孔孔径，在射孔层段建立更好的油气开采通道，达到提高油气井产能的目的。
现有技术中，作者刘润滋于2017年在《含能复合药型罩的技术研究》中公开了：含能复合药型罩是一种新型复合药型罩结构，内层罩材料为密实金属，形成主射流侵彻靶体，外层罩采用金属氟聚物反应材料用于增加对靶体的侵彻后效。含能复合药型罩具有复合罩材料利用率高，射流头部速度大和含能材料高效毁伤等优点，是聚能装药结构研究的重点。本文将相关理论，仿真计算和实验测试结合起来，对含能复合药型罩射流和侵彻性能进行研究，得出含能复合药型罩材料壁厚对射流形成和靶体侵彻的影响规律。 理论上分析了铝与聚四氟乙烯材料的反应平衡组成和反应机理。阐述分析了药型罩射流形成的相关理论。通过仿真软件AUTODYN，建立有限元模型，模拟了含能复合药型罩射流形成及钢靶，混凝土靶侵彻过程。得到了相关结果。内层罩为钨铜材料且结构固定,含能材料定义Shock方程状态时,射流的速度随着外层罩壁厚的增大而减小；含能材料定义JWL方程状态时,四种外罩壁厚情况下的射流速度和侵彻深度都要优于Shock方程状态时的射流，射流速度和侵彻在外罩壁厚为1.2mm时达到最大，速度为6049m/s，侵彻深度为173.92mm。通过静破甲实验研究了含能复合药型罩侵彻钢靶和混凝土靶性能，得到了不同壁厚的含能复合药型罩对目标靶的侵彻结果。实验体现了含能材料的受冲击引发化学反应的特性，相对于模拟情况，含能复合药型罩明显获得了更大的侵彻深度和孔径。表明仿真计算已经很接近实验结果。
再如，中国专利公开号CN111412791A公开了一种大孔容射孔弹及其生产装置和生产方法，公开日为2020.07.14，所述大孔容射孔弹包括弹壳、传爆药、炸药、一级药型罩、二级药型罩及药型罩固定环。由于采用了一级药型罩与二级药型罩构成双层药型罩，炸药爆炸后推动双层药型罩形成叠加金属射流实现穿孔和扩孔，能够同时兼顾穿孔深度和穿孔孔径。
但上述现有技术存在的问题在于：1、复合药型罩射孔弹制造工艺较为困难，需要将药型罩制造成密实金属层及金属氟聚物反应层两层，无法实现大批量生产实施；2、在双层套管射孔应用中，复合药型罩射孔弹存在射流反应时间过快，射流能量迅速减小，严重影响射孔穿深及外层套管穿孔的现象。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种应用于双层套管的射孔弹及制备方法和射孔方法。采用本发明后，侵彻药型罩首先形成高速金属射流击穿套管并进入周围岩层，形成射孔通道；后部活性含能药型罩在爆燃药的高温高压产物作用下，形成二次脉冲作用，解决了现有射孔弹药型罩中射流能量明显衰减的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种应用于双层套管的复合药型罩射孔弹，包括弹壳、传爆药、主装药和复合药型罩，其特征在于：复合药型罩包括侵彻药型罩和活性含能药型罩，侵彻药型罩一端为封闭端，另一端为呈圆环状的开口端，活性含能药型罩内部设置为通孔结构，活性含能药型罩的一个通孔端部粘接在侵彻药型罩开口端部上，且侵彻药型罩和活性含能药型罩为同轴设置。
所述活性含能药型罩由8-30微米粒度的PTFE和2-20微米粒度的铝粉按质量比3：1-5:1组成。
所述活性含能药型罩质量为复合药型罩质量的10%～22%。
所述复合药型罩设置于弹壳内，主装药位于复合药型罩和弹壳内壁之间，侵彻药型罩设置在弹壳内腔上部，封闭端靠近传爆药，活性含能药型罩设置在弹壳内腔下部。
所述侵彻药型罩开口处的圆环状区域和活性含能药型罩通孔端部的圆环状区域处设置有厌氧胶，侵彻药型罩和活性含能药型罩通过设置的厌氧胶粘接。
所述活性含能药型罩呈单锥梯形或圆筒形，活性含能药型罩内壁和外壁的角度相同。
所述侵彻药型罩外径Φ25mm～Φ55mm，长度与直径比为0.8～1.1，壁厚为1.5mm～3mm。
所述活性含能药型罩外径Φ25mm～Φ55mm，长度与直径比为0.1～0.4，壁厚为1.5mm～3mm。
一种应用于双层套管的射孔弹的制备方法，其特征在于，包括：
a、制备侵彻药型罩；
b、制备活性含能药型罩：采用由8-30微米粒度的PTFE和2-20微米粒度的铝粉按质量比3：1-5:1混合压制后，真空高温烧结而成；
c、制备复合药型罩：在侵彻药型罩与活性含能药型罩口部外圆圆环状区域涂抹厌氧胶粘接成型为复合药型罩；
d、将复合药型罩压入装有传爆药和主装药的弹壳内成型为射孔弹。
所述制备活性含能药型罩中，模压压力不低于250MPa，保压时间至少20s；烧结采用真空烧结工艺，以50℃/h的升温速度从室温升温至不低于360℃保温至少4h，再以50℃/h的降温速度冷却至室温即成型活性含能药型罩。
一种应用于双层套管的射孔弹的射孔方法，其特征在于：通过导爆索引爆射孔弹，射孔弹爆炸后，侵彻药型罩首先形成高速金属射流击穿套管并进入周围岩层，形成射孔通道；后部活性含能药型罩在主装药的高温高压产物作用下，其铝粉与PTFE的分解产物发生反应，放出大量的热，造成气体膨胀，形成二次脉冲作用，相关反应方程式为：
采用本发明的优点在于：
1、本发明提供一种采用复合药型罩结构的射孔弹，通过少量的活性含能药型罩在爆炸后形成的含能射流，在射孔后的高温高压条件下可以进行释能反应，将双层套管的穿孔区进行二次做功，具有扩孔功能，有利于后续压裂、充填等作业，提高了油气作业的效率。
2、通过真空烧结工艺，提高活性含能药型罩的强度，使复合药型罩结构射孔弹实施工艺成熟度较高，有利于本发明实施应用。
3、通过选用2-20微米粒度的铝粉，控制参与反应铝粉的有效表面积来控制反应时间，利用反应的时间差，提高射孔弹对双层套管的中外层套管的扩孔作用。
4、通过改变侵彻药型罩和活性含能药型罩的占比，当活性含能药型罩质量占比达到10%后，射孔弹具有扩孔效果。当活性含能药型罩质量占比达到22%后，活性含能药型罩的反应能量将影响射孔弹的射流稳定性。
5、本发明在射孔时通过复合药型罩设计，在射孔时射孔弹爆炸后侵彻药型罩首先形成高速金属射流击穿套管并进入周围岩层，形成射孔通道。后部活性含能药型罩在爆燃药的高温高压产物作用下，铝粉与PTFE等发生反应，放出大量的热，造成气体膨胀，形成二次脉冲作用，利用反应能量提高对套管的扩孔作用。
附图说明
图1为本发明实施例一复合药型罩射孔弹结构示意图；
图2为本发明实施例二复合药型罩射孔弹结构示意图；
图中标记为：1、弹壳，2、传爆药，3、主装药， 4、侵彻药型罩，5、活性含能药型罩。
具体实施方式
实施例1
本发明实施例提供一种复合药型罩射孔弹，该射孔弹包括弹壳1、传爆药2、主装药3、侵彻药型罩4和活性含能药型罩5。
侵彻药型罩4采用多种配方的金属粉末混合后，采用液压机压制而成。
活性含能药型罩5采用PTFE与铝粉混合压制后高温烧结而成。在侵彻药型罩4与活性含能药型罩5口部外圆圆环状区域涂抹少量厌氧胶成型为复合药型罩后，再将复合药型罩压入装有传爆药2和主装药3的弹壳1内。
所述弹壳1外径通常为φ37mm～φ60mm，材料可以为低碳钢、铬锰合金结构钢。其结构设计与复合药型罩的结构设计匹配，保证装药空间分布均匀。
所述传爆药2采用纯度较高的单质黑索今，奥克托今、六硝基芪，提高射孔弹传爆的可靠性。
所述主装药3采用油气井常用的猛炸药，根据使用温度不同，常用耐温的炸药有：黑索今，奥克托今、六硝基芪，压装时采用不低于150MPa的压力进行压制成型，保证装药密度，以提高炸药的爆压及爆炸威力。
所述侵彻药型罩4外径Φ25mm～Φ55mm，长度与直径比为0.8～1.1，壁厚为1.5mm～3mm。由多种金属粉末混合后压制而成，密度大于11g/cm3，侵彻药型罩4呈三段锥角与两段圆弧结合结构，形成1.5mm-3mm均匀变壁厚状态。
侵彻药型罩位于复合药型罩最上部，结构与组份与常规药型罩保持相同或相近，侵彻药型罩口部外圆呈圆环状，用于与活性含能药型罩通孔配合连接。该结构及壁厚设计可使侵彻药型罩4在形成射流时，能够先拉伸，前方射孔遇到靶体后减速，后方射流赶上，加粗射流，实现增加套管孔径的目的。
所述活性含能药型罩5外径Φ25mm～Φ55mm，长度与直径比为0.1～0.4，壁厚为1.5mm～3mm。活性含能药型罩5采用单锥角设计，具体角度为A：42°-90°。活性含能药型罩位于复合药型罩最下部，其组份中有含能材料，活性含能药型罩口部外圆呈圆环状，用于与侵彻药型罩通孔配合连接。
为保证活性含能药型罩5形成射流后的稳定性，采用内外同角度设计，减小局部速度差。活性含能药型罩5采用PTFE与铝粉按质量比3：1~5:1混合压制后，真空高温烧结而成。其中模压压力不低于250MPa，保压时间20s。烧结采用真空烧结工艺，以50℃/h的升温速度从室温升温至不低于360℃保温4h，再以50℃/h的降温速度冷却至室温即可成型。活性含能药型罩5形成的高能射流速度比侵彻药型罩4形成的金属射流速度慢，在通过双层套管穿孔区域时发生强烈释能反应，将双层套管的穿孔区进行二次做功，具有扩孔功能。
如图1所示，其中侵彻药型罩4配方为钨粉，40%-60%；铜粉，30%-40%；铅粉10-20%，润滑油外加0.1%。混合时可通过混料机混合2h后，再按侵彻药型罩4形状进行压制。活性含能药型罩5配方为8-30微米粒度的PTFE与2-20微米粒度的铝粉按质量比3：1~5:1混合压制后，真空高温烧结而成，形状为单锥梯形。其中模压压力不低于250MPa，保压时间20s。烧结采用真空烧结工艺，以50℃/h的升温速度从室温升温至不低于360℃保温4h，再以50℃/h的降温速度冷却至室温即可成型。在侵彻药型罩4与活性含能药型罩5口部外圆圆环状区域涂抹少量厌氧胶成型后，再将复合药型罩压入装有传爆药2和主装药3的弹壳1内。
应用于双层套管的射孔弹的射孔方法，具体为：通过导爆索引爆射孔弹，射孔弹爆炸后，侵彻药型罩首先形成高速金属射流击穿套管并进入周围岩层，形成射孔通道；后部活性含能药型罩在主装药的高温高压产物作用下，其铝粉与PTFE的分解产物发生反应，放出大量的热，造成气体膨胀，形成二次脉冲作用，相关反应方程式为：
实施例2
本发明实施例提供一种复合药型罩射孔弹，该射孔弹包括弹壳1、传爆药2、主装药3、侵彻药型罩4和活性含能药型罩5。
侵彻药型罩4采用多种配方的金属粉末混合后，采用液压机压制而成。
活性含能药型罩5采用PTFE与铝粉混合压制后真空高温烧结而成。但并不局限于PTFE和铝粉，还可以采用镁-PTFE，钨-PTFE，铝-聚氟化物，镁-聚氟化物，钨-聚氟化物。
所述弹壳1外径通常为φ37mm～φ60mm，材料可以为低碳钢、铬锰合金结构钢。其结构设计与复合药型罩的结构设计匹配，保证装药空间分布均匀。
所述传爆药2采用纯度较高的单质黑索今，奥克托今、六硝基芪，提高射孔弹传爆的可靠性。
所述主装药3采用油气井常用的猛炸药，根据使用温度不同，常用耐温的炸药有：黑索今，奥克托今、六硝基芪，压装时采用不低于150MPa的压力进行压制成型，保证装药密度，以提高炸药的爆压及爆炸威力。
所述侵彻药型罩4外径Φ25mm～Φ55mm，长度与直径比为0.8～1.1，壁厚为1.5mm～3mm。由多种金属粉末混合后压制而成，密度大于11g/cm3，侵彻药型罩4呈三段锥角与两段圆弧结合结构，形成1.5mm-3mm均匀变壁厚状态。
所述活性含能药型罩5外径Φ25mm～Φ55mm，长度与直径比为0.1～0.4，壁厚为1.5mm～3mm。活性含能药型罩5采用90度直角设计。活性含能药型罩位于复合药型罩最下部，其组份中有含能材料，活性含能药型罩口部外圆呈圆环状，用于与侵彻药型罩通孔配合连接。
活性含能药型罩5采用PTFE与铝粉按质量比3：1~5:1混合压制后，真空高温烧结而成。其中模压压力不低于250MPa，保压时间20s。烧结采用真空烧结工艺，以50℃/h的升温速度从室温升温至不低于360℃保温4h，再以50℃/h的降温速度冷却至室温即可成型。活性含能药型罩5形成的高能射流速度比侵彻药型罩4形成的金属射流速度慢，在通过双层套管穿孔区域时发生强烈释能反应，将双层套管的穿孔区进行二次做功，具有扩孔功能。
如图2所示，其中侵彻药型罩4配方为钨粉，40%-60%；铜粉，30%-40%；铅粉10-20%，润滑油外加0.1%。混合时可通过混料机混合2h后，再按侵彻药型罩4形状进行压制。活性含能药型罩5配方为8-30微米粒度的PTFE与2-20微米粒度的铝粉按质量比3：1~5:1混合压制后，真空高温烧结而成，形状为单锥梯形。其中模压压力不低于250MPa，保压时间20s。烧结采用真空烧结工艺，以50℃/h的升温速度从室温升温至不低于360℃保温4h，再以50℃/h的降温速度冷却至室温即可成型。先将侵彻药型罩4压入装有传爆药2和主装药3的弹壳1内。再在活性含能药型罩5口部外圆圆环状区域涂抹少量厌氧胶后，使用压力机将活性含能药型罩5与侵彻药型罩4压合。
Claims (10)
1.一种应用于双层套管的复合药型罩射孔弹，包括弹壳（1）、传爆药（2）、主装药（3）和复合药型罩，其特征在于：复合药型罩包括侵彻药型罩（4）和活性含能药型罩（5），侵彻药型罩（4）一端为封闭端，另一端为呈圆环状的开口端，活性含能药型罩（5）内部设置为通孔结构，活性含能药型罩（5）的一个通孔端部粘接在侵彻药型罩（4）开口端部上，且侵彻药型罩（4）和活性含能药型罩（5）为同轴设置。
2.根据权利要求1所述的应用于双层套管的复合药型罩射孔弹，其特征在于：所述活性含能药型罩（5）由8-30微米粒度的PTFE和2-20微米粒度的铝粉按质量比3：1-5:1组成。
3.根据权利要求1所述的应用于双层套管的复合药型罩射孔弹，其特征在于：所述活性含能药型罩（5）质量为复合药型罩质量的10%～22%。
4.根据权利要求1所述的应用于双层套管的复合药型罩射孔弹，其特征在于：所述复合药型罩设置于弹壳（1）内，主装药（3）位于复合药型罩和弹壳（1）内壁之间，侵彻药型罩（4）设置在弹壳（1）内腔上部，封闭端靠近传爆药（2），活性含能药型罩（5）设置在弹壳（1）内腔下部。
5.根据权利要求1所述的应用于双层套管的复合药型罩射孔弹，其特征在于：所述侵彻药型罩（4）开口处的圆环状区域和活性含能药型罩（5）通孔端部的圆环状区域处设置有厌氧胶，侵彻药型罩（4）和活性含能药型罩（5）通过设置的厌氧胶粘接。
6.根据权利要求1所述的应用于双层套管的复合药型罩射孔弹，其特征在于：所述活性含能药型罩（5）呈单锥梯形或圆筒形，活性含能药型罩（5）内壁和外壁的角度相同。
7.根据权利要求1所述的应用于双层套管的复合药型罩射孔弹，其特征在于：所述侵彻药型罩（4）外径Φ25mm～Φ55mm，长度与直径比为0.8～1.1，壁厚为1.5mm～3mm；所述活性含能药型罩（5）外径Φ25mm～Φ55mm，长度与直径比为0.1～0.4，壁厚为1.5mm～3mm。
8.根据权利要求1所述的应用于双层套管的射孔弹的制备方法，其特征在于，包括：
a、制备侵彻药型罩（4）；
b、制备活性含能药型罩（5）：采用由8-30微米粒度的PTFE和2-20微米粒度的铝粉按质量比3：1-5:1混合压制后，真空高温烧结而成；
c、制备复合药型罩：在侵彻药型罩（4）与活性含能药型罩（5）口部外圆圆环状区域涂抹厌氧胶粘接成型为复合药型罩；
d、将复合药型罩压入装有传爆药（2）和主装药（3）的弹壳（1）内成型为射孔弹。
9.根据权利要求8所述的应用于双层套管的射孔弹的制备方法，其特征在于，所述制备活性含能药型罩中，模压压力不低于250MPa，保压时间至少20s；烧结采用真空烧结工艺，以50℃/h的升温速度从室温升温至不低于360℃保温至少4h，再以50℃/h的降温速度冷却至室温即成型活性含能药型罩。
10.根据权利要求1所述的应用于双层套管的射孔弹的射孔方法，其特征在于：通过导爆索引爆射孔弹，射孔弹爆炸后，侵彻药型罩首先形成高速金属射流击穿套管并进入周围岩层，形成射孔通道；后部活性含能药型罩在主装药的高温高压产物作用下，其铝粉与PTFE的分解产物发生反应，放出大量的热，造成气体膨胀，形成二次脉冲作用，相关反应方程式为：
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