DE19625897B4

DE19625897B4 - Füllstück für eine geformte Ladung

Info

Publication number: DE19625897B4
Application number: DE19625897A
Authority: DE
Inventors: James W. Sugar Land Reese; Terry L. Houston Slagle
Original assignee: Western Atlas International Inc
Current assignee: Western Atlas International Inc
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2016-06-28
Also published as: CA2179934C; NO962711L; CA2179934A1; CN1141425A; CN1068675C; US5567906B1; GB2302935A; DE19625897A1; GB9613117D0; GB2302935B; US5567906A; NO316864B1; NO962711D0

Abstract

Füllstück für eine geformte Ladung, umfassend eine Mischung aus etwa 80 Gew.-% pulverförmigem Wolfram und etwa 20 Gew.-% pulverförmigem Metallbindemittel, wobei das Bindemittel aus der Gruppe, bestehend aus Blei, Wismut, Silber, Gold, Zinn, Uran, Antimon, Zink, Kobalt und Nickel gewählt ist und die Mischung durch Komprimieren unter ausreichend hohem Druck ohne zusätzliche Wärmezufuhr in die Endform verpresst wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet geformter Sprengladungen bzw. Ausstoßladungen und befaßt sich mit einer Materialzusammensetzung zur Verwendung als Einlage bzw. Füllstück in einer geformten Ladung bzw. Formladung, insbesondere einer zur Ölbohrlochperforation verwendeten, geformten Ladung.

Geformte Ladungen werden unter anderem zum Zwecke der Herstellung hydraulischer Verbindungsdurchgänge, die als Perforationen bzw. Durchlochungen 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 Einsetzen eines Rohrs oder Gehäuses in das Bohrloch vervollständigt werden und das Gehäuse in dem Bohrloch durch Pumpen von Zement in den ringförmigen 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 Gehäuse, eine Menge eines hochexplosiven Sprengstoffs einer Zusammensetzung wie HMX, RDX oder HNS, weiche in das Gehäuse eingesetzt ist, und eine Einlage bzw. ein Füllstück, welches auf den hochexplosiven Füllstoff gesetzt ist, umfassen. Das Füllstück wird typischerweise zu einer im allgemeinen konischen Form durch Verpressen von pulverförmigem Metall geformt. Das typischerweise verwendete pulverförmige Metall ist vorwiegend aus Kupfer zusammengesetzt. Das pulverförmige Metall kann eine Anteilsmenge von damit vermischtem Blei, gewöhnlicherweise nicht mehr als 20 Gew.-%, enthalten. Alternativ kann das Blei durch Wismut ersetzt sein, wie beispielsweise im der US 5 221 808 A von Werner et al. beschrieben.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, wie ein Füllstück hergestellt werden kann. So offenbart beispielsweise die DE 33 36 516 A1 ein Verfahren, in dem zunächst eine Mischung aus Wolfram und Kupfer entweder durch heißisostatisches Pressen oder durch mechanisches Pressensintern und Nachpressen in die Endform gebracht wird. In diesem Verfahren werden Füllstücke bei hohen Temperaturen hergestellt. Dass ein Füllstück ohne zusätzliche Wärmezufuhr hergestellt werden kann, ist in DE 33 36 516 A1 nicht 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 Testdetonation einer ähnlich geformten Ladung unter standardisierten Bedingungen, 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 irgendeinen besonderen Typus der geformten Ladung weist ein hohes Maß an Korrespondenz zu der Tiefe der Strahlpenetration einer Ladung ähnlichen Typs durch eine Erdformation auf.

Um Durchlochungen bzw. Perforationen vorzusehen, welche eine effiziente hydraulische Verbindung mit der Formation ergeben, ist es möglich, geformte Ladungen auf verschiedenartige Weise zu entwerfen bzw. zu konstruieren, um einen Strahl vorzusehen, der eine große Menge der Formation 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 Gehäuses 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 der US 5 221 808 A von Werner et al. beschriebene Kupfer/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 der US-Patent 5 221 808, Spalte 2, Zeilen 48 bis 49. angegeben ist, ergibt die Kombination von Wismut und Kupfer in dem Füllstück eine geformte Ladung, die "so gut wie die geformte Standardladung schießen 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 pulverförmigen 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-Wolfram-Konzentrationen, welche 35 % überschritten, durchgeführte Tests zeigten, daß die Leistungsfähigkeit der Ladungen abnahm. Daher wurden Füllstückzusammensetzungen mit mehr als 35 Gew.-% Wolfram nicht eingesetzt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, neue Füllstücke bereitzustellen, die vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

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 Penetrationstiefe 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 eine geformte Ladung vor, das aus einer Mischung aus pulverförmigem Wolfram 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 Metallbindemittels.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird Graphitpulver mit dem pulverförmigen Metallbindemittel und Wolfram vermischt, um als Gleitmittel zu wirken. Das pulverförmige Metallbindemittel umfaßt vorzugsweise 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 näher erläutert. Hierbei zeigt
1 eine geformte Ladung mit einem Füllstück.
Eine geformte Ladung 10 als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt. Die geformte Ladung 10 umfaßt typischerweise ein im allgemeinen zylindrisch geformtes Gehäuse 1, das aus Stahl hergestellt 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 aufweisen. Im Fachgebiet bekannte hochexplosive Sprengstoffe zur Verwendung in geformten Ladungen umfassen Zusammensetzungen, welche unter den Handelsbezeichnungen HMX, HNS, RDX, HNIW und TNAZ vertrieben werden. Eine am Boden des Gehäuses 1 gebildete Aussparung 4 kann einen Zusatzsprengstoff (nicht gezeigt) wie reines RDX enthalten. Der Zusatzsprengstoff 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 hochexplosiven Sprengstoff 2 in ausreichender Entfernung in dem Gehäuse 1 gesetzt, so daß der hochexplosive Sprengstoff 2 im wesentlichen das Volumen zwischen 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 geformten starren Körper verpreßt wird. Der konische Körper ist typischerweise an der Grundseite offen und hohl. Eine Komprimierung des pulverförmigen 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 gebracht wird, entweder direkt durch Signalübertragung durch die Sprengschnur (nicht gezeigt), oder Übertragung durch den Zusatzsprengstoff (nicht gezeigt) bewirkt die Detonationskraft ein Kollabieren bzw ein Zusammenbrechen 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 Metall des Füllstücks 5 aus etwa 80 Gew.-% Wolfram und etwa 20 Gew.-% eines pulverförmigen Metallbindemittels. Alternativ hierzu kann das pulverförmige 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 Penetratrionstiefe der geformten Ladung 10 verbessert durch Verwendung von pulverförmigem Wolfram in dem Füllstückmaterial, verglichen mit der Penetrationstiefe, welche durch geformte Ladungen mit Füllstücken bekannter Zusammensetzungen, die vorwiegend pulverförmiges Kupfer beinhalten, erzielt wird.
Die angegebene Menge des pulverförmigen Metallbindemittels in der Füllstückmischung von 20 Gew.-% ist nicht als absolute Beschränkung aufzufassen. Es ist im Fachgebiet bekannt, in einer Füllstückmischung auf Kupferbasis einen Anteil an pulverförmigem Metallbindemittel vorzusehen, 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 effektive Leistungfähigkeit der geformten Ladung erhalten wird. Es ist zu verstehen, daß ähliche Variationen im Anteil des pulverförmigen Metallbindemittels in einer Füllstückmischung auf Wolframbasis gemäß einer Ausführungsform 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 ausgeführt ist, ergeben.
Typischerweise umfallt das pulverförmige Metallbindemittel pulverförmiges Blei. Alternativ hierzu zu kann das pulverförmige Metallbindemittel Wismut enthalten, wie in der US 5 221 808 A von Werner et al. beschrieben. Während es typischer ist, Blei und Wismut für das pulverförmige Metallbindemittel zu verwenden, können auch andere Metalle mit hoher Duktilität und Verformbarkeit bzw. Geschmeidigkeit für das pulverförmige Metallbindemittel eingesetzt werden. Andere Metalle, welche hohe Duktilität und Verformbarkeit aufweisen, umfassen Zinn, Uran, Silber, Gold, Antimon, Zink, Kobalt und Nickel.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Zusammensetzung des Füllstücks 5 pulverförmiges Kupfer, welches mit dem pulverförmigen 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 derartige Tests eine erhöhte Penetrationstiefe im Vergleich zu geformten Ladungen mit bekannten Füllstücken auf Kupferbasis.
Das Füllstück 5 kann in dem Gehäuse 1 durch Anwendung eines Klebstoffs, 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 Gehäuses 1. Der Klebstoff 6 wird nur dazu verwendet, um das Füllstück 5 innnerhalb des Gehäuses 1 in Position zu halten und ist nicht als beschränkend aufzufassen.
Die nachstehende Tabelle 1 zeigt Testergebnisse hinsichtlich Penetrationstiefen von geformten Ladungen mit Füllstücken auf Kupferbasis, verglichen 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 aufgeführt 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 Ladungstpyen 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 1 mit 5 gezeigt) jeweils eine etwa 25 %ige Steigerung 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 Kupferbasis 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 Wolframbasis gemäß der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Leistungsfähigkeit der geformten Ladung ergibt, verglichen mit den herkömmlichen Ladungen.

Claims

Füllstück für eine geformte Ladung, umfassend eine Mischung aus etwa 80 Gew.-% pulverförmigem Wolfram und etwa 20 Gew.-% pulverförmigem Metallbindemittel, wobei das Bindemittel aus der Gruppe, bestehend aus Blei, Wismut, Silber, Gold, Zinn, Uran, Antimon, Zink, Kobalt und Nickel gewählt ist und die Mischung durch Komprimieren unter ausreichend hohem Druck ohne zusätzliche Wärmezufuhr in die Endform verpresst wird.
Füllstück für eine geformte Ladung, umfassend eine Mischung aus etwa 80 bis 60 Gew.-% pulverförmigem Wolfram, etwa 20 Gew.-% pulverförmigem Metallbindemittel und bis zu20 Gew.-% pulverförmigem Kupfer, wobei das Bindemittel aus der Gruppe, bestehend aus Blei, Wismut, Silber, Gold, Zinn, Uran, Antimon, Zink, Kobalt und Nickel gewählt ist und die Mischung durch Komprimieren unter ausreichend hohem Druck ohne zusätzliche Wärmezufuhr in die Endform verpresst wird.