DE19630339A1

DE19630339A1 - Kaskadengeformte Ladung

Info

Publication number: DE19630339A1
Application number: DE1996130339
Authority: DE
Inventors: Manmohan S Chawla
Original assignee: Western Atlas International Inc
Current assignee: Western Atlas International Inc
Priority date: 1995-07-27
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 1997-01-30
Also published as: CA2182409A1; GB9615704D0; GB2303687A; CN1146548A; NO963009L; NO963009D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf geformte Ladungen zum Erzeugen eines metallischen Strahls. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte geformte Ladung, die wenigstens zwei Einlagenelemente innerhalb der geformten Ladung enthält.

Geformte Ladungen werden in der Öl- und Gasindustrie und auf anderen Gebieten verwendet, um Metall, Beton und andere feste Materialien zu durchstoßen. Bei einer Öl- oder Gasboh rung wird eine metallische Verrohrung an den Bohrlochwänden angebracht, um das Bohrloch unversehrt zu halten. Geformte Ladungen werden in eine hohle Trägerkanone oder einen Rohr streifen eingebaut, die bzw. der in der Verrohrung angeord net ist. Die geformten Ladungen werden aktiviert, um die Ver rohrung der Bohrung und die geologische Formation an der Koh lenwasserstoffe liefernden Zone zu durchstoßen. Die Kohlen wasserstoffe treten in die Verrohrung durch derartige Per forationen ein und werden zu der Bohrungsoberfläche übertra gen.

Herkömmlich geformte Ladungen sind mit einem Ladungsgehäuse, einer hohlen konischen Einlage in dem Gehäuse und einem hoch explosiven Material, das zwischen der Einlage und dem Gehäu se liegt, versehen. Ein Zünder wird aktiviert, um das explo sive Material zum Erzeugen einer Detonationswelle anzuregen. Diese Welle läßt die Einlage zusammenfallen, und es wird ein metallischer Strahl hoher Geschwindigkeit gebildet. Der Strahl durchdringt die Verrohrung der Bohrung und eine geolo gische Formation, und es wird gleichzeitig ein sich langsam bewegendes Rohmetall gebildet. Die Strahleigenschaften hän gen von der Ladungsform, der freigesetzten Energie und der Einlagenmasse sowie -zusammensetzung ab.

Das Durchdringungsvermögen des Strahles wird durch die Strahlgeschwindigkeit und andere Faktoren bestimmt. Während des Kollapses oder Zusammenfallens der Einlage wird eine be trächtliche Menge an Energie aufgrund eines mehrfachen Stoß- Nachhalles zwischen dem Ladungsgehäuse und der Einlage ver braucht. Diese Nachhalle beeinflussen nachteilhaft die Inte grität und Wirksamkeit des Strahles, indem sie mit der Bil dung des Strahles interferieren. Diese Interferenz schwächt den Strahl und vermindert das Durchdringungsvermögen des Strahles durch das Gehäuse der Bohrung und geologische Forma tionen.

Demgemäß besteht ein Bedarf für eine verbessert geformte Ladung, die unerwünschte Interferenz reduziert, welche auf den Strahl einwirkt, wenn dieser das Ladungsgehäuse verläßt.

Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbes sert geformte Ladung zu schaffen, bei der unerwünschte Inter ferenzen vermieden werden, die auf den ein Ladungsgehäuse verlassenden Strahl einwirken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine geformte Ladung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 12 bzw. 18 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung schafft also eine verbesserte ge formte Ladung, die auf einen Zünder anspricht, um einen materialdurchdringenden Strahl auszulösen. Die Erfindung umfaßt ein um eine Achse gebildetes explosives Material, das durch den Zünder ausgelöst werden kann, um eine Explosion hervorzurufen. Eine erste Einlage liegt neben dem explosiven Material, und eine kollabierbare zweite Einlage mit einem hohlen Zentrum ist nahe zu der ersten Einlage angeordnet.

In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung können die ersten und zweiten Einlagen als ein einziges Einlagensystem mit zwei koaxialen Einlagenelementen gebildet werden, und die Einlagenenden können an einem Ladungsgehäuse angebracht werden. Ein Spalt kann zwischen den ersten und zweiten Ein lagen positioniert sein, und ein stoßabsorbierendes Material oder ein Explosivstoff kann in einem derartigen Spalt ange ordnet sein. Die erste Einlage kann länger als die zweite Einlage sein, um einen segmentierten Strahl hervorzurufen, und eine Vielzahl von Einlagen oder Einlagenelementen kann in ähnlicher Weise innerhalb des Gehäuses angeordnet werden, um weiter unerwünschte Stoßwellen zu reduzieren.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine herkömmlich geformte Ladung mit einer einzigen Einlage und einem explosiven Material bzw. Explosiv material in einem Gehäuse,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Ein lagenelementen in einer geformten Ladung,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem einzigen Einlagensystem mit zwei Einlagenelementen,

Fig. 4 zwei Einlagen mit verschiedenen Längen einschließ lich einer graphischen Darstellung, die den sich ergebenden, erzeugten segmentierten Strahl zeigt,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die distalen Enden der Einlagen an einem Gehäuse ange bracht sind,

Fig. 6 die Befestigung zwischen dem Gehäuse und den dista len Enden der Einlage und

Fig. 7 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zwei Einlagenelemente aufweist.

Die vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte geformte Ladung, die wesentlich die Wirksamkeit und das Eindringver mögen des Strahles 1 verbessert. Fig. 1 veranschaulicht eine herkömmlich geformte Ladung mit einem Gehäuse 10, einem hoch explosiven Material 12 und einer gewöhnlichen Einlage 14.

Ein Zünder 16 leitet eine Detonationswelle im explosiven Material 12 ein, welche im wesentlichen parallel zu der Achse der geformten Ladung verläuft. Die Detonationswelle läßt die Einlage 14, beginnend am Scheitel oder der Spitze der Einlage 14, zusammenfallen und schafft einen metalli schen Strahl, der mit hohen Geschwindigkeiten bis zu 10.000 m/s läuft und ein nachlaufendes Rohmetall hervorruf t, das mit einer merklich niedrigeren Geschwindigkeit läuft.

Wie bekannt ist, können die Einlagen für geformte Ladungen mit einer Vielzahl von Materialien und einer Vielzahl von geometrischen Formen hergestellt werden. Einlagenmaterialien umfassen Kupfer, Aluminium, abgereichertes Uran, Wolfram, Tantal und andere Materialien. Repräsentative Beispiele von Einlagenformen umfassen Halbkugeln, Paraboloide, Ellipsoide, Birnenformen und Trompeten. Ein Gehäuse ist nicht wesentlich für das Betriebsverhalten der geformten Ladungen, da eine geformte Ladung aus der einfachen Kombination eines ausge höhlten Hochexplosivstoffes und einer Einlage zum Auskleiden des explosiven Hohlraumes aufgebaut werden kann.

Fig. 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung, das mehrere Einlagen zeigt. Ein Gehäuse 18 enthält ein hochexplosives Material 12 und eine Einlagen kombination, die als eine Kaskadeneinlage 20 angegeben ist. Die Kaskadeneinlage wird mit einer ersten Einlage 22 und einer zweiten Einlage 24 gebildet, wie dies gezeigt ist. Die erste Einlage 22 ist als ein im wesentlichen konisches Ele ment mit einer Spitze bzw. einem Scheitel 26 nahe zu dem Zün der 16 und mit einem distalen Ende 28 entgegengesetzt zu dem Scheitel bzw. der Spitze 26 veranschaulicht. Das distale Ende 28 ist das offene Ende der konusförmigen ersten Einlage 22 und liegt dem offenen Ende 30 des Gehäuses 18 gegenüber. Die zweite Einlage 24 ist als ein im wesentlichen konisches Element mit einem Scheitel bzw. einer Spitze 32 nahe zu dem Zünder 16 und mit einem distalen Ende 34 entgegengesetzt zu der Spitze bzw. dem Scheitel 32 gezeigt. Die erste Einlage 22 liegt zwischen der zweiten Einlage 24 und dem explosiven Material 12.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Luft spalt 36 zwischen der ersten Einlage 22 und der zweiten Ein lage 24 gebildet werden, um Stoßisolationseigenschaften vor zusehen. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kön nen andere Materialien, wie beispielsweise Wasser, Schaum und Elastomere in dem Luftspalt 36 untergebracht werden, um verschiedene Ergebnisse zu erzielen. In einem anderen Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung kann ein hochexplosives Material 12 in dem Luftspalt 36 installiert werden, um das Zusammen fallen der zweiten Einlage 24 zu beschleunigen.

Um eine Detonationswelle auszulösen, löst ein Schnurzünder 16 das explosive Material 12 innerhalb des Zündhohlraumes 38 aus, und das explosive Material 12 läßt die Einlagen 22 und 24 zusammenfallen. Die Verwendung von Mehrfacheinlagen, wie beispielsweise der Kaskadeneinlage 20, liefert eine merk liche Flexibilität beim Auslegen von geformten Ladungen. Bei spielsweise können verschiedene metallische Einlagen verwen det werden, um die Form und Geschwindigkeit der jeweiligen metallischen Strahlen abzuwandeln. Die zweite Einlage 24 kann aus einem zieldurchdringenden Metall, wie beispielswei se Blei, Uran, Wolfram, oder einem Metall mit einer ähn lichen Dichte, das hier als "Schwermetall" bezeichnet ist, aufgebaut sein. Die erste Einlage 22 kann mit einem Metall niedriger Dichte, wie beispielsweise Aluminium, oder einem zerbrechlichen Material, das durch Pulvertechniken herge stellt ist, einem gesinterten Metall oder einem Material, das durch andere Prozesse gebildet ist, aufgebaut sein. Die Materialien für die erste Einlage 22 und die zweite Einlage 24 können umgekehrt werden, um verschiedene Ergebnisse her vorzurufen, wie beispielsweise ein Steigern der Strahlge schwindigkeit oder ein Erzeugen eines pulsierenden Strahles.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die erste Einlage 22 aus einem Material aufgebaut sein, das eine akustische Impedanz hat, die im wesentlichen gleich zu der akustischen Impedanz des explosiven Materials 12 ist. Dieses Merkmal verbessert weiter die Wirksamkeit der Energie übertragung von dem explosiven Material 12 zu dem Strahl, der durch die zweite Einlage 24 gebildet ist. Diese Kon figuration kann auch verwendet werden, um stabile Strahlen aus den Einlagenmaterialien zu erzeugen, die sonst nicht Strahlen infolge einer niedrigen Schallgeschwindigkeit oder einer ungünstigen Geometrie des Materials erzeugen würden.

Die Verwendung von Mehrfacheinlagen liefert eine bedeutsame Design-Flexibilität bei der Auswahl der Materialien und in der Konfiguration und Durchdringung der sich ergebenden Strahlen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin dung kann das Gesamtgewicht der Einlagen 22 und 24 optimiert werden, um die maximale Kollapsgeschwindigkeit zu erhalten, und es liegt vorzugsweise nahe im Gewicht zu dem optimalen Gewicht einer herkömmlichen einzigen Einlage. Dieses Merkmal bewahrt das Verhältnis von Ladung zu Masse der geformten Ladung, so daß die letzte Strahlgeschwindigkeit im wesent lichen unverändert ist.

Die erste Einlage 22 und der Spalt 36 können Stoßwellen dämpfen, wie beispielsweise die Reflexionen von der Innen wand des Gehäuses 18, die sonst mit dem Kohäsionsvermögen des Strahles interferieren würden. Es ist zu betonen, daß zusätzliche Einlagen, die die erste Einlage 22 ergänzen, zu der geformten Ladung beigefügt werden können, um weiter uner wünschte Stoßwellenreflexionen zu dämpfen.

Fig. 3 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Kaskadeneinlage 40 und ein explo sives Material 12 in einem Gehäuse 18 angeordnet sind. Die Einlage 40 hat einen Scheitel oder eine Spitze 42 und ist konzentrisch mit Einlagenelementen 44 und 46. Die Einlagen elemente 44 und 46 haben jeweils distale Enden 48 und 50. Ein Spalt 52 besteht zwischen den Einlagenelementen 44 und 46 für den oben beschriebenen Zweck. Wie bereits erläutert wurde, kann ein stoßabsorbierendes Material 54 in den Spalt 52 gebracht werden, um weiter unerwünschte Stoßwellen reflexionen zu dämpfen.

Fig. 4 veranschaulicht noch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine erste Einlage 56 und eine zweite Einlage 58 in einem Gehäuse 18 angeordnet sind. Die erste Einlage 56 ist länger als die zweite Einlage 58, die einen segmentierten Impuls erzeugt, der graphisch in Fig. 4 ge zeigt ist. Ein solcher segmentierter Impuls ist insbesondere geeignet, um Material, wie beispielsweise Beton, zu durch dringen, indem ein "Hammer"-Effekt ähnlich zu dem Aufprall eines Aufreißhammers hervorgerufen wird.

Fig. 5 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die distalen Enden von Einlagen 60 und 62 an einem Gehäuse 18 angebracht sind. Einzelheiten dieser Be festigung sind in Fig. 6 gezeigt, wo die distalen Enden der Einlagen 60 und 62 in Aussparungen 64 und 66 gelegen sind. Dieses besondere Merkmal liefert zahlreiche Vorteile, ein schließlich einer genauen Steuerung der Strahlbildung und einer präzisen Positionierung der Einlagen 60 und 62 inner halb des Gehäuses 18. Dieses Positionieren ist wichtig, da die physikalische Beziehung zwischen den Einlagen 60 und 62 zu dem Gehäuse 18 und zu dem explosiven Material 12 die Bil dung und Wirksamkeit des sich ergebenden Strahles beein flußt.

Fig. 7 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine erste Einlage 68 und eine zweite Ein lage 70 in dem Gehäuse 10 gelegen sind. Explosives Material 72 liegt in dem Spalt 74 für den oben beschriebenen Zweck, und Ringe 75 halten die erste Einlage 68 und die zweite Ein lage 70 in dem Gehäuse 10 zurück.

Während der Zünder 16 neben der Spitze oder dem Scheitel der Einlagen veranschaulicht ist, kann der Detonationspunkt für das explosive Material 12 an anderen Stellen gelegen sein, die ausreichend sind, um die Erzeugung einer Detonationswel le einzuleiten. Verschiedene Einlagenkonfigurationen und Befestigungsmechanismen können angewandt werden, um Mehrfach einlagen nahe zu dem explosiven Material zu positionieren. Die Form, die Zusammensetzung und die akustischen Impedanzen der Einlagen sowie die Konfiguration eines Spaltes oder eines stoßabsorbierenden Materials zwischen den Einlagen können gewählt werden, um verschiedenen Anforderungen hin sichtlich der Größe, der Form, der Geschwindigkeit und des Durchdringungsvermögens eines Strahles zu genügen.

Claims

1. Geformte Ladung, die auf einen Zünder (16) anspricht, um einen materialdurchdringenden Strahl zu liefern, mit:
einem um eine Achse gebildeten explosiven Material (12), das durch den Zünder (16) ausgelöst werden kann, um eine Detonationswelle hervorzurufen,
einer ersten Einlage (22) nahe zu dem explosiven Material (12) und
einer zweiten Einlage (24) nahe zu der ersten Einlage (22), wobei die zweite Einlage (24) um ein hohles Zen trum bei Aufprall durch die Detonationswelle und die erste Einlage (24) kollabierbar ist, um einen material durchdringenden Strahl zu erzeugen.

2. Geformte Ladung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Einlagen (22, 24) im wesent lichen Metalle umfassen, die verschiedene akustische Impedanzen haben.

3. Geformte Ladung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einlage (22) mit einem Material gebildet ist, das eine akustische Impedanz hat, die im wesent lichen ähnlich zu der akustischen Impedanz des explosi ven Materials (12) ist.

4. Geformte Ladung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einlage (22) aus einem zerbrechlichen Material gebildet ist.

5. Geformte Ladung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einlage (24) aus einem Schwermetall gebil det ist.

6. Geformte Ladung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einlage (24) kleiner als die erste Ein lage (22) ist.

7. Geformte Ladung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Einlage (22, 24) in ein einziges Einlagensystem mit wenigstens zwei koaxialen Einlagenelementen integriert sind, die sich radial nach außen von einem einzigen geschlossenen Ende zu zwei ge trennten offenen distalen Enden erstrecken.

8. Geformte Ladung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Ladungsgehäuse (18) zum Aufnehmen des explosiven Materials (12), wobei die ersten und zweiten Einlagen (22, 24) in das Ladungsgehäuse (18) eingreifen.

9. Geformte Ladung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Einlagen (22, 24) so positio niert sind, daß ein Spalt zwischen der ersten Einlage (22) und der zweiten Einlage (24) vorhanden ist.

10. Geformte Ladung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein stoßabsorbierendes Material (54) zwischen der ersten Einlage (44) und der zweiten Einlage (46).

11. Geformte Ladung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein hochexplosives Material (72) zwischen der ersten Ein lage (68) und der zweiten Einlage (70).

12. Geformte Ladung, die auf einen Zünder (16) anspricht, um einen materialdurchdringenden Strahl auszulösen, mit:
einem Gehäuse (18) mit einem offenen Ende,
einem in dem Gehäuse (18) um eine Achse angeordneten explosiven Material (12), das durch den Zünder (16) aus gelöst werden kann, um eine sich im wesentlichen paral lel zu der Achse bewegende Detonationswelle hervorzuru fen,
einer ersten Einlage (44) in Berührung mit dem explo siven Material (12), wobei die erste Einlage eine Spitze bzw. einen Scheitel nahe zu dem Zünder (16) hat, und
einer zweiten Einlage (46), die nahe zu der ersten Einlage (44) ist, wobei die zweite Einlage (46) eine Spitze bzw. einen Scheitel und ein distales offenes Ende entgegengesetzt zu der Spitze bzw. dem Scheitel hat und wobei die zweite Einlage (46) bei Aufprall durch die Detonationswelle um ein hohles Zentrum kollabierbar ist, um einen materialdurchdringenden Strahl zu erzeugen.

13. Geformte Ladung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Einlagen (44, 46) in ein einziges Einlagensystem (40) mit wenigstens zwei koaxia len Einlagenelementen integriert sind, die sich radial nach außen von einem einzigen geschlossenen Ende zu zwei getrennten offenen distalen Enden erstrecken.

14. Geformte Ladung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das distale Ende der zweiten Einlage (46) an dem Gehäuse (18) angebracht ist.

15. Geformte Ladung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch ein stoßabsorbierendes Material (54) zwischen der ersten Einlage (44) und der zweiten Einlage (46).

16. Geformte Ladung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch ein explosives Material (72) zwischen der ersten Einlage (68) und der zweiten Einlage (70).

17. Geformte Ladung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einlage (58) kleiner ist als die erste Einlage (56).

18. Geformte Ladung, die auf einen Zünder (16) anspricht, um einen materialdurchdringenden Strahl auszulösen, mit:
einem Gehäuse (18) mit einem offenen Ende,
einem Einlagensystem (40) in dem offenen Ende des Gehäuses (18), wobei das Einlagensystem (40) einen Scheitel bzw. eine Spitze nahe zu dem Zünder (16) hat und wobei das Einlagensystem wenigstens zwei koaxiale Einlagenelemente (44, 46) umfaßt, die sich auswärts von dem Scheitel bzw. der Spitze zu getrennten distalen Enden der Einlagenelemente (44, 46) erstrecken, und
einem explosiven Material (12), das zwischen dem Gehäuse (18) und dem Einlagensystem (40) angeordnet ist, wobei das explosive Material (12) durch den Zünder (16) ausgelöst werden kann, um eine Detonationswelle hervorzu rufen, die das Einlagensystem (40) zur Schaffung des Strahles zusammenfallen läßt.

19. Geformte Ladung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlagensystem (40) in das Gehäuse (18) ein greift.

20. Geformte Ladung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen Spalt (52) zwischen dem koaxialen Einlagenelemen ten (44, 46)