DE19625897A1 - Geformte Sprengladungen und Füllstück hierfür - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet geformter Spreng­ ladungen bzw. Ausstoßladungen und befaßt sich mit einer Materialzu­ sammensetzung zur Verwendung als Einlage bzw. Füllstück in einer ge­ formten Ladung bzw. Formladung, insbesondere einer zur Ölbohrlochper­ foration verwendeten, geformten Ladung.

Geformte Ladungen werden unter anderem zum Zwecke der Herstellung hydraulischer Verbindungsdurchgänge, die als Perforationen bzw. Durch­ lochungen oder Durchbrüche bezeichnet werden, in Brunnen- bzw. Schachtbohrlöchern, welche durch Erdformationen gebohrt worden sind, verwendet, so daß vorbestimmte Erdformationen hydraulisch mit dem Brunnenbohrloch verbunden werden können. Durchlochungen werden benötigt, da Brunnenbohrlöcher typischerweise durch koaxiales Einset­ zen eines Rohrs oder Gehäuses in das Bohrloch vervollständigt werden und das Gehäuse in dem Bohrloch durch Pumpen von Zement in den ring­ förmigen Raum zwischen dem Bohrloch und dem Gehäuse festgehalten wird. Das zementierte Gehäuse wird in dem Bohrloch für den speziellen Zweck vorgesehen, die verschiedenen Erdformationen, welche von dem Bohrloch durchstoßen werden, hydraulisch voneinander zu isolieren.

Geformte Ladungen für die Durchlochung von Bohrungen können ein Ge­ häuse, eine Menge eines hochexplosiven Sprengstoffs einer Zusammen­ setzung wie HMX, RDX oder HNS, welche in das Gehäuse eingesetzt ist, und eine Einlage bzw. ein Füllstück, welches auf den hochexplosiven Füll­ stoff gesetzt ist, umfassen. Das Füllstück wird typischerweise zu einer im allgemeinen konischen Form durch Verpressen von pulverförmigem Me­ tall geformt. Das typischerweise verwendete pulverförmige Metall ist vor­ wiegend aus Kupfer zusammengesetzt. Das pulverförmige Metall kann ei­ ne Anteilsmenge von damit vermischtem Blei, gewöhnlicherweise nicht mehr als 20 Gew.-%, enthalten. Alternativ kann das Blei durch Wismut er­ setzt sein, wie beispielsweise im US-Patent Nr. 5 221 808 von Werner et al. beschrieben.

Wenn der hochexplosive Sprengstoff zur Detonation gebracht wird, läßt die Detonationskraft das Füllstück kollabieren und stößt dieses von einem Ende der Ladung mit sehr hoher Geschwindigkeit in einem als "Strahl" bzw. "Jet" bezeichneten Muster aus. Der Strahl durchdringt das Gehäuse, den Zement und einen Teil der Erdformation. Der Teil bzw. das Quantum der Formation, welches durch den Strahl durchdrungen werden kann, kann für eine Ladung mit einer bestimmten Formgebung durch Testdeto­ nation einer ähnlich geformten Ladung unter standardisierten Bedingun­ gen, welche in "Recommended Practice No. 43" ("RP-43"), veröffentlicht vom American Petroleum Institute, beschrieben sind, abgeschätzt werden. Das in RP-43 spezifizierte Testverfahren beinhaltet ein langes Zement­ "Target", durch welches der Strahl teilweise penetriert. Die Tiefe der Strahlpenetration durch das Target gemäß der Spezifikation RP-43 für ir­ gendeinen besonderen Typus der geformten Ladung weist ein hohes Maß an Korrespondenz zu der Tiefe der Strahlpenetration einer Ladung ähnli­ chen Typs durch eine Erdformation auf.

Um Durchlochungen bzw. Perforationen vorzusehen, welche eine effizien­ te hydraulische Verbindung mit der Formation ergeben, ist es möglich, ge­ formte Ladungen auf verschiedenartige Weise zu entwerfen bzw. zu kon­ struieren, um einen Strahl vorzusehen, der eine große Menge der Forma­ tion durchdringt, wobei die Menge üblicherweise als "Penetrationstiefe" der Perforation bezeichnet wird. Ein mögliches Verfahren zur Steigerung der Penetrationstiefe besteht darin, die Menge des innerhalb des Gehäu­ ses vorgesehenen Sprengstoffs zu erhöhen. Ein Nachteil der Erhöhung der Sprengstoffmenge besteht darin, daß ein Teil der Detonationsenergie auf Richtungen ausgedehnt wird, welche von der Richtung, in welcher der Strahl aus dem Gehäuse ausgestoßen wird, verschieden sind. Sowie die Sprengstoffmenge erhöht wird, ist es daher möglich, das Ausmaß des durch Detonation verursachten Schadens gegenüber der Bohrung und der zum Transport der geformten Ladung zu der Tiefe innerhalb der Bohrung, bei welcher die Durchlochung vorzunehmen ist, verwendeten Ausrüstung zu erhöhen.

Es ist ebenso möglich, die Form des Füllstücks auf verschiedenartige Wei­ se zu konstruieren, um so die Penetrationstiefe der geformten Ladung für eine beliebige bestimmte Sprengstoffmenge zu maximieren. Selbst wenn die Form des Füllstücks optimiert würde, ist die Energiemenge, welche auf das Füllstück zur Erzeugung der Durchlochung übertragen werden kann, notwendigerweise durch die Sprengstoffmenge begrenzt.

Das in dem US-Patent 5 221 808 von Werner et al. beschriebene Kup­ fer/Wismut-Füllstück kann die Gefahr für die Umgebung verringern, von welcher geglaubt wird, daß sie mit dem innerhalb der Perforation durch bleihaltige Ladungs-Füllstücke abgeschiedenen Blei in Verbindung steht. Wie jedoch in dem US-Patent 5 221 808, Spalte 2, Zeilen 48 bis 49, angege­ ben ist, ergibt die Kombination von Wismut und Kupfer in dem Füllstück eine geformte Ladung, die "so gut wie die geformte Standardladung schie­ ßen kann", wobei die Standardladung eine solche ist, welche Kupfer und Blei in dem Füllstückmaterial beinhaltet. Wismut als Ersatz für Blei in dem Füllstückmaterial ergibt keine erhöhte Penetrationstiefe.

Es ist ebenso möglich die Zusammensetzung des Füllstücks zu ändern, um pulverförmiges Wolfram als Ersatz einer gewissen Menge des pulverförmi­ gen Kupfers vorzusehen, um die Leistungsfähigkeit der geformten Ladung zu verbessern. Wolfram wurde in Füllstücken als Ersatz vorgesehen, um Zusammensetzungen mit soviel wie 35 Gew.-% Wolfram zu erhalten. Die Fachwelt glaubte, daß ein Austausch durch höhere Gewichtsanteile an Wolfram in dem Füllstückmaterial die Leistungsfähigkeit der geformten Ladung nicht erhöhen würde, da unter Verwendung von Füllstück-Wol­ fram-Konzentrationen, welche 35% überschritten, durchgeführte Tests zeigten, daß die Leistungsfähigkeit der Ladungen abnahm. Daher wurden Füllstückzusammensetzungen mit mehr als 35 Gew.-% Wolfram nicht ein­ gesetzt.

Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung sind beispielhaft in den Ansprüchen aufgeführt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Füll­ stückmaterial für eine geformte Ladung vorgesehen, welches die Penetra­ tionstiefe der geformten Ladung durch Ersatz des größten Teils oder des gesamten Kupfers in dem Füllstückmaterial durch Wolfram erhöht.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Füllstück für ei­ ne geformte Ladung vor, das aus einer Mischung aus pulverförmigem Wol­ fram und pulverförmigem Metallbindemittel gebildet ist. Das Füllstück kann durch Verdichtung bzw. Komprimierung der Mischung zu einem im wesentlichen konisch geformten starren Körper geformt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Mischung etwa 80 Gew.-% Wolfram und etwa 20 Gew.-% des pulverförmigen Metallbinde­ mittels.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird Graphitpulver mit dem pulverförmigen Metallbindemittel und Wolfram vermischt, um als Gleitmittel zu wirken. Das pulverförmige Metallbindemittel umfaßt vor­ zugsweise ein verformbares bzw. schmiegsames duktiles Metall wie Blei, Wismut, Zinn, Zink, Silber, Anitmon, Kobalt, Nickel oder Uran.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung nä­ her erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine geformte Ladung mit einem Füllstück.

Eine geformte Ladung 10 als Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung ist in Fig. 1 gezeigt. Die geformte Ladung 10 umfaßt typischerweise ein im allgemeinen zylindrisch geformtes Gehäuse 1, das aus Stahl herge­ stellt sein kann. Eine Menge eines hochexplosiven Sprengstoffpulvers, mit 2 gezeigt, ist in das Innere des Gehäuses 1 eingefügt. Der hochexplosive Sprengstoff 2 kann eine im Fachgebiet bekannte Zusammensetzung auf­ weisen. Im Fachgebiet bekannte hochexplosive Sprengstoffe zur Verwen­ dung in geformten Ladungen umfassen Zusammensetzungen, welche un­ ter den Handelsbezeichnungen HMX, HNS, RDX, HNIW und TNAZ vertrie­ ben werden. Eine am Boden des Gehäuses 1 gebildete Aussparung 4 kann einen Zusatzsprengstoff (nicht gezeigt) wie reines RDX enthalten. Der Zu­ satzsprengstoff liefert, wie es für den Fachmann klar ist, eine effiziente Übertragung eines Detonationssignals, das durch eine Sprengschnur bzw. detonierende Zündschnur (nicht gezeigt), die typischerweise in Kontakt mit dem Äußeren der Aussparung 4 angeordnet ist, vorgesehen wird, auf den hochexplosiven Sprengstoff 2. Die Aussparung 4 kann extern mit einer Abdichtung, wie allgemein mit 3 gezeigt, bedeckt sein.

Ein mit 5 bezeichnetes Füllstück wird üblicherweise auf den hochexplosi­ ven Sprengstoff 2 in ausreichender Entfernung in dem Gehäuse 1 gesetzt, so daß der hochexplosive Sprengstoff 2 im wesentlichen das Volumen zwi­ schen dem Gehäuse 1 und dem Füllstück 5 ausfüllt. Das Füllstück 5 bei dieser Ausführungsform kann aus pulverförmigem Metall hergestellt sein, welches unter sehr hohem Druck zu einem im allgemeinen konisch ge­ formten starren Körper verpreßt wird. Der konische Körper ist typischer­ weise an der Grundseite offen und hohl. Eine Komprimierung des pulver­ förmigen Metalls unter ausreichendem Druck kann bewirken, daß das Pulver sich im wesentlichen wie eine feste Masse verhält. Das Verfahren des Verformens des Füllstücks unter Druck aus pulverförmigem Metall ist dem Fachmann bekannt.

Wie für den Fachmann klar, wenn der Sprengstoff 2 zur Detonation ge­ bracht wird, entweder direkt durch Signalübertragung durch die Spreng­ schnur (nicht gezeigt), oder Übertragung durch den Zusatzsprengstoff (nicht gezeigt) bewirkt die Detonationskraft ein Kollabieren bzw. ein Zu­ sammenbrechen des Füllstücks 5 und bewirkt, daß das Füllstück 5 aus dem Gehäuse 1 mit sehr hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht das pulverförmige Me­ tall des Füllstücks 5 aus etwa 80 Gew.-% Wolfram und etwa 20 Gew.-% ei­ nes pulverförmigen Metallbindemittels. Alternativ hierzu kann das pul­ verförmige Metall des Füllstücks 5 aus 80 Gew.-% Wolfram und 19 Gew.-% pulverförmigem Metallbindemittel sowie einem Zusatz von etwa 1 Gew.-% Graphitpulver, das damit vermischt ist, bestehen. Das Graphitpulver wirkt bzw. dient als Gleitmittel, wie es für den Fachmann verständlich ist. Wie im einzelnen ausgeführt werden wird, wird die Penetrationstiefe der geformten Ladung 10 verbessert durch Verwendung von pulverförmigem Wolfram in dem Füllstückmaterial, verglichen mit der Penetrationstiefe, welche durch geformte Ladungen mit Füllstücken bekannter Zusammen­ setzungen, die vorwiegend pulverförmiges Kupfer beinhalten, erzielt wird.

Die angegebene Menge des pulverförmigen Metallbindemittels in der Füll­ stückmischung von 20 Gew.-% ist nicht als absolute Beschränkung aufzu­ fassen. Es ist im Fachgebiet bekannt, in einer Füllstückmischung auf Kupferbasis einen Anteil an pulverförmigem Metallbindemittel vorzuse­ hen, welcher um etwa 5 Gew.-%-Punkte variieren kann, auf soviel wie etwa 25 Gew.-% oder so wenig wie etwa 15 Gew.-%, wobei immer noch eine effek­ tive Leistungsfähigkeit der geformten Ladung erhalten wird. Es ist zu ver­ stehen, daß ähnliche Variationen im Anteil des pulverförmigen Metallbin­ demittels in einer Füllstückmischung auf Wolframbasis gemäß einer Aus­ führungsform der Erfindung vorgesehen werden können, welche immer noch eine erhöhte Penetrationstiefe einer geformten Ladung mit einem Füllstück 5, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aus­ geführt ist, ergeben.

Typischerweise umfaßt das pulverförmige Metallbindemittel pulverförmi­ ges Blei. Alternativ hierzu kann das pulverförmige Metallbindemittel Wis­ mut enthalten, wie im US-Patent Nr. 5 221 808 von Werner et al. beschrie­ ben. Während es typischer ist, Blei und Wismut für das pulverförmige Me­ tallbindemittel zu verwenden, können auch andere Metalle mit hoher Duk­ tilität und Verformbarkeit bzw. Geschmeidigkeit für das pulverförmige Metallbindemittel eingesetzt werden. Andere Metalle, welche hohe Dukti­ lität und Verformbarkeit aufweisen, umfassen Zinn, Uran, Silber, Gold, Antimon, Zink, Kobalt und Nickel.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Zusam­ mensetzung des Füllstücks 5 pulverförmiges Kupfer, welches mit dem pul­ verförmigen Metallbindemittel und pulverförmigen Wolfram vermischt ist.

Mischungen, welche soviel wie 20 Gew.-% Kupfer enthielten, wodurch der Gewichtsanteil des Wolframs auf 60 Gew.-% verringert wird und welche ungefähr 20 Gew.-% pulverförmiges Blei als Metallbindemittel enthielten, wurden zu Prüfzwecken zur Detonation gebracht und zeigten durch derar­ tige Tests eine erhöhte Penetrationstiefe im Vergleich zu geformten Ladun­ gen mit bekannten Füllstücken auf Kupferbasis.

Das Füllstück 5 kann in dem Gehäuse 1 durch Anwendung eines Kleb­ stoffs, wie mit 6 gezeigt, gehalten werden. Der Klebstoff 6 ermöglicht es der geformten Ladung 10 Schlägen und Vibrationen, welche typischerweise während der Handhabung und dem Transport auftreten, zu widerstehen ohne Bewegung des Füllstücks 5 oder des Sprengstoffs 2 innerhalb des Ge­ häuses 1. Der Klebstoff 6 wird nur dazu verwendet, um das Füllstück 5 innerhalb des Gehäuses 1 in Position zu halten und ist nicht als be­ schränkend aufzufassen.

Die nachstehende Tabelle 1 zeigt Testergebnisse hinsichtlich Penetra­ tionstiefen von geformten Ladungen mit Füllstücken auf Kupferbasis, ver­ glichen mit geformten Ladungen mit Füllstücken auf Wolframbasis als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hinsichtlich verschiedenen Typen von geformten Ladungen. Die Ergebnisse sind in Inches angegeben, wobei die entsprechenden Angaben in Millimetern in Klammern aufge­ führt sind. Geformte Ladungen der Typen A und B wurden gemäß der vom American Petroleum Institute veröffentlichten Spezifikation, welche als "Recommended Practice 43" ("RP 43") bezeichnet wird, geprüft. Die La­ dungstypen C, D und E wurden in einem Beton-Target geprüft, wobei der Beton eine Druckfestigkeit innerhalb eines Bereichs von 5000 bis 8000 Pounds per Square Inch (etwa 34,48 N/mm² bis 55,16 N/mm²) aufweist und das Target durch eine 3/8 Inch (0,9525 cm) dicke Stahlschutzplatte abgedeckt ist. Die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen eine durchschnittliche Penetration von Prüfdetonationen aus mindestens fünf Ladungen jeden Typs.

Tabelle 1

Die Ergebnisse der in Tabelle 1 gezeigten Tests zeigen, daß das Füllstück auf Wolframbasis (in Fig. 1 mit 5 gezeigt) jeweils eine etwa 25%ige Steige­ rung der durchschnittlichen Penetrationstiefe ergibt. Der Durchmesser des gesamten Lochs unter Verwendung des Füllstücks 5 auf Wolframbasis ist typischerweise etwas verringert, verglichen mit dem Durchmesser des gesamten Lochs, welches durch das herkömmliche Füllstück 5 auf Kupfer­ basis erzeugt wird. Unter den meisten Umständen kann der Durchmesser des gesamten Lochs weniger wichtig sein als die Penetrationstiefe, wie es für den Fachmann klar ist. Somit zeigt sich, daß ein Füllstück auf Wol­ frambasis gemäß der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Leistungs­ fähigkeit der geformten Ladung ergibt, verglichen mit den herkömmlichen Ladungen.

Claims (11)

1. Füllstück für eine geformte Ladung, umfassend eine Mischung aus pulverförmigem Wolfram und pulverförmigem Metallbindemittel ein­ schließlich etwa 80 Gew.-% Wolfram und etwa 20 Gew.-% des Bindemit­ tels, wobei das Bindemittel ein verformbares duktiles Metall, gewählt aus der Blei, Wismut, Silber, Gold, Zinn, Uran, Antimon, Zink, Kobalt und Nickel umfassenden Gruppe umfaßt und wobei die Mischung unter Druck zu einem im wesentlichen konisch geformten starren Körper geformt wor­ den ist.

2. Füllstück für eine geformte Ladung, umfassend eine Mischung aus pulverförmigem Wolfram, pulverförmigem Metallbindemittel und pulver­ förmigem Kupfer, wobei das pulverförmige Kupfer einen Gewichtsanteil der Mischung innerhalb eines Bereichs von etwa 0 bis 20% umfaßt, das pulverförmige Metallbindemittel einen Gewichtsanteil der Mischung von etwa 20% umfaßt und das Bindemittel ein verformbares duktiles Metall, gewählt aus der Blei, Wismut, Silber, Gold, Zinn, Uran, Antimon, Zink, Ko­ balt und Nickel umfassenden Gruppe umfaßt und wobei das Wolfram ei­ nen Gewichtsanteil der Mischung innerhalb eines Bereichs von etwa 80 bis 60% umfaßt, das Kupfer das Wolfram innerhalb der Gewichtsbereiche für das Kupfer und das Wolfram ersetzt und wobei die Mischung unter Druck zu einem im wesentlichen konisch geformten starren Körper geformt wor­ den ist.

3. Füllstück nach Anspruch 1 oder 2, umfassend pulverförmigen Gra­ phit, der mit der Mischung vermischt worden ist, um als Gleitmittel zu die­ nen.

4. Geformte Ladung, umfassend
ein Gehäuse (1);
eine Menge eines hochexplosiven Sprengstoffs (2), welcher in das Ge­ häuse eingesetzt ist; und
ein Füllstück (5) gemäß mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, das so in das Gehäuse eingesetzt ist, daß der hochexplosive Sprengstoff zwischen dem Füllstück und dem Gehäuse positioniert ist.

5. Geformte Ladung nach Anspruch 4, umfassend einen Zusatzspreng­ stoff, welcher in dem Gehäuse (1) und in Kontakt mit der Menge des hoch­ explosiven Sprengstoffs (2) vorgesehen ist, wobei der Zusatzsprengstoff so angeordnet ist, daß er ein Detonationssignal von einer Sprengschnur, wenn eine solche in Kontakt mit dem Gehäuseäußeren vorgesehen ist, auf den hochexplosiven Sprengstoff überträgt.

6. Geformte Ladung nach Anspruch 5, umfassend eine Sprengschnur, die so angeordnet ist, daß sie mit dem Gehäuseäußeren in Berührung steht.

7. Geformte Ladung nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei der hochexplosive Sprengstoff RDX umfaßt.

8. Geformte Ladung nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei der hochexplosive Sprengstoff HMX umfaßt.

9. Geformte Ladung nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei der hochexplosive Sprengstoff HNS umfaßt.

10. Geformte Ladung nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei der hochexplosive Sprengstoff HNIW umfaßt.

11. Geformte Ladung nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei der hochexplosive Sprengstoff TNAZ umfaßt.