Кумулятивный заряд

Изобретение относится к взрывным работам, а именно к разрывным зарядам кумулятивного типа, и может быть использовано как техническое средство, в первую очередь в нефте-, газодобывающем комплексе для перфорации нефтяных и газовых скважин (в составе прострелочно-взрывной аппаратуры, например, кумулятивных перфораторов), в промышленности для пробивания металлических листов, а также может быть использовано при проведении буровзрывных работ, горных выработок или при отбойке горной массы, разрушении негабаритов горных пород с помощью энергии направленного взрыва.

Известный кумулятивный заряд для указанных работ содержит в своем составе осесимметричный заряд высокобризантного взрывчатого вещества (ВВ) в форме цилиндрической шашки, как правило, в оболочке (корпусе), содержащий со стороны одного из торцев коническую открытую полость, облицованную слоем металла (чаще всего - меди) / Григорян Н.Г. и др. Прострелочные и взрывные работы в скважинах. М: Недра, 1972, С. 83 /. Инициирование детонации в заряде ВВ осуществляют с противоположного (по отношению к кумулятивной выемке) торца шашки либо от штатного средства взрывания (электродетонатора, капсюля-детонатора или взрывного патрона), либо от детонирующего шнура или от линейного детонирующего заряда в металлической оболочке, проходящего через гирлянду подвешенных на несущем кабеле кумулятивных зарядов.

К недостаткам такого заряда относится, в первую очередь, невысокая эффективность из-за несимметричности фронта детонационной волны, формируемой в заряде ВВ, неравномерности обжатия кумулятивной облицовки и, как результат, - не оптимального режима формирования кумулятивной струи. Другим важным недостатком такого заряда является незначительный поперечный размер производимой пробоины, что сопряжено во многих случаях с «закупориванием» отверстия низкоскоростными фрагментами кумулятивной струи (так называемым пестом) и, соответственно, с нарушением техпроцесса перфорации.

Известен / заявка ЕР №0134169, кл. F42B 1/02, 1985 / кумулятивный заряд для пробивания стальных листов, включающий корпус, в котором размещены два заряда ВВ: основной и промежуточный, разделенные экраном из пористого материала. Ему придают такую форму, чтобы в основном заряде ВВ детонационная волна, исходящая от промежуточного заряда, всегда опережала ударную волну, исходящую от экрана. За счет включения в конструкцию устройства двух зарядов ВВ, разнесенных экраном, обеспечивается формирование симметричного фронта детонационной волны и равномерное обжатие кумулятивной облицовки, что повышает эффективность кумулятивного эффекта. Недостатком такого устройства являются большие габариты и масса.

Известен / заявка ЕР №0254800, кл. F42B 1/02, 1988 / кумулятивный заряд, содержащий, как и предыдущий аналог, корпус, в котором размещены основной заряд ВВ с облицованной выемкой и инициирующий детонатор. Кумулятивный заряд содержит также промежуточный заряд ВВ, выполненный в виде пленки. Между основным и промежуточным зарядами установлена инертная линза для формирования кольцеобразной зоны инициирования. Недостатками данного устройства являются возможность неустойчивой передачи детонации или разрушение основного заряда ВВ без передачи детонации, а также неравномерное распространение детонационного фронта по самому промежуточному заряду ВВ. Как и предыдущий аналог, данное устройство обладает неудовлетворительными массово-габаритными характеристиками.

Частично эти недостатки устраняются (за счет симмертизации детонационного фронта по заряду ВВ) в другом известном / патент РФ №2110037, МПК F42B 1/02, 1/036, 1998 / устройстве, включающем также корпус, в котором размещены основной заряд ВВ, инертная линза и крышка с запрессованным в нее промежуточным зарядом ВВ, изготовленным из пластичного ВВ, при этом его ширина и толщина в зоне соприкосновения с основным зарядом, а также его толщина со стороны линзы выбираются из строго заданных соотношений. Надежность и эффективность такого кумулятивного заряда, по сравнению с выше описанными аналогами, повышаются; массово-габаритные характеристики частично улучшаются. Однако конструкция его остается достаточно сложной и чрезвычайно дорогостоящей в производстве.

Известны и другие конструкции кумулятивных зарядов, в которых инициирование основного заряда ВВ производится по кольцу в целях формирования тороидального фронта детонационной волны и равномерного обжатия кумулятивной облицовки. В них используются либо упомянутые выше детонационные линзы из инертного материала, либо экраны для отклонения детонационной волны в виде вакуумированных камер / заявка ФРГ №3408865, кл. F42B 1/02 /. Недостатки таких устройств: громоздкость, большие массы (в том числе и большие массы ВВ), сложность конструкций и их высокая стоимость.

В качестве наиболее близкого аналога заявляемого устройства, т.е. совпадающего с ним по назначению и по общим существенным конструктивным признакам, целесообразно принять конструкцию кумулятивного заряда, описанную в патенте РФ №2104465, МПК F42B 1/02, 1998. Кумулятивный заряд содержит наружную оболочку (корпус), инициатор, инициирующий заряд ВВ и основной заряд ВВ с кумулятивной выемкой и облицовкой; инициирующий заряд выполнен в виде диска из ВВ с инициатором по центру, причем диаметр инициатора меньше критического диаметра ВВ основного заряда. Между инициирующим и основным зарядами расположена прокладка из инертного материала (например, из ткани).

Достоинствами данного устройства, (по сравнению с описанными выше аналогами) являются:

- простота конструкции;

- повышенная надежность осуществления кольцевого инициирования основного заряда и исключения точечного инициирования его в центре (на оси заряда);

- сниженные габариты кумулятивного заряда и масса ВВ;

- возможность использования для основного заряда таких относительно маломощных и не дефицитных бризантных ВВ, как тротил;

- повышенная технологичность изготовления устройства и не слишком высокая его стоимость.

Недостатком такого заряда, формирующего высокоэффективную кумулятивную струю, является относительно небольшой диаметр пробиваемого в преграде отверстия и связанная с этим повышенная вероятность забития его низкоскоростными фрагментами струи (главным образом - пестом), что может свести операцию перфорации обсадной трубы скважины на нет.

Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности применения устройства, упрощении его конструкции, снижении стоимости, расширении области применения.

Для достижения указанного технического результата устройство по предлагаемому изобретению содержит, как и наиболее близкое известное корпус (наружную оболочку), инициирующее устройство (капсюль-детонатор, электродетонатор, взрывной патрон и др.), инициатор, инициирующий заряд ВВ и основной осесимметричный заряд ВВ в виде цилиндрической шашки с облицованной кумулятивной выемкой, выполненной в торцевой части основного заряда со стороны, противоположной инициатору. При этом инициирующий заряд выполнен в виде диска из тонкого слоя ВВ, более чувствительного к инициирующему импульсу, чем ВВ основного заряда; инициатор размещен по центру диска, на оси кумулятивного заряда, и имеет диаметр, меньший критического диаметра ВВ основного заряда, а между инициирующим и основным зарядами расположена прокладка из тонкого инертного материала (например, из ткани).

В отличие от известного, наиболее близкого устройства в предлагаемом устройстве кумулятивная выемка выполнена в виде открытой цилиндрической полости с выпуклым в сторону тела основного заряда ВВ дном в виде сферического сегмента с прогибом x по оси заряда в пределах:

x=(0,1÷0,2)d и высотой h цилиндрической части выемки:

h=(0,5÷1,0)d, где d - диаметр цилиндрической части выемки. Толщина облицовки в зависимости от материала (медь, сталь, алюминий, вольфрам, обедненный уран и т.д.) выбирается в пределах (0,02÷0,10)d. Причем цилиндрическая часть облицовки и дно могут быть выполнены либо как единая деталь, либо составными, и изготовлены из одного и того же материала или из разных (с разными акустическими жесткостями - импедансами), за счет чего можно регулировать фокусное расстояние от заряда до пробиваемой преграды и глубину пробития последней. Диаметр d цилиндрической части выемки выбирается таким, чтобы выполнялось условие (D-d)/2>δ_кр., где D - диаметр шашки основного заряда ВВ, δ_кр. - критическая толщина детонации ВВ основного заряда. Иными словами, толщина кольцевого свода ВВ основного заряда между внутренним диаметром корпуса кумулятивного заряда и наружным диаметром облицовки цилиндрической части выемки должна быть больше критической толщины детонации ВВ основного заряда.

Из-за простоты конструкции и недефицитности отечественных материалов и элементной базы, необходимых для производства предлагаемого устройства, оно обладает низкой стоимостью, высокой технологичностью изготовления, не требует задействования сложного и дорогостоящего оборудования, привлечения высококвалифицированной рабочей силы.

Из известных авторам патентно-информационных источников не известна совокупность признаков, сходных с признаками заявленного устройства.

Изобретение иллюстрируется рисунком (фиг. 1). На нем показана принципиальная схема конструкции предлагаемого устройства.

Осесимметричный основной заряд 5 взрывчатого вещества в форме шашки в корпусе (наружной оболочке) 6 содержит цилиндрическую полость 9, открытую на торце и с глухим дном, выпуклым в сторону основного заряда ВВ, металлическую облицовку (цельную или составную), состоящую из цилиндрической части 8 и дна 7. Для инициирования детонации в основном заряде 5, заявленное устройство содержит инициирующее устройство 1 (капсюль-детонатор, электродетонатор, взрывной патрон и др.), инициатор 2 (отрезок шнура эластичного ВВ, детонирующего удлиненного заряда - ДУЗ малого калибра), инициирующий заряд 3 в виде тонкого диска из высокобризантного ВВ и прокладку 4 из инертного материала (например, ткани).

Предлагаемое устройство используется и работает следующим образом.

Инициирующее устройство 1 возбуждает детонацию в инициаторе 2, который передает ее инициирующему заряду 3. По тонкому слою ВВ инициирующего заряда 3 в радиальном направлении распространяется расходящаяся детонационная волна, возбуждающая в приграничном слое ВВ основного заряда 5 косую ударную волну, которая по мере нарастания импульса инициирует основной заряд по окружности, в результате чего во взрывчатом веществе основного заряда 5 распространяется тороидальная детонационная волна, формирующая фронт такой конфигурации, что пластинчатое дно 7 кумулятивной облицовки разгоняется продуктами детонации в падающей волне, а, цилиндрическая часть 8 - в скользящей волне. Это обеспечивает более скоростной режим разгона дна 7 и его опережающий выход из кумулятивной полости (до обжатия цилиндрической части 8, с чего начинается формирование кумулятивной струи. Последняя, являясь более скоростной, чем пластинчатое дно 7, нагоняет его на некотором расстоянии от основания заряда, называемом фокусным. Варьируя материалами цилиндрической части облицовки и пластинчатого дна (как указывалось выше, они могут быть выполнены из разных материалов, с разными импедансами) можно изменять в ту или иную сторону величину фокусного расстояния. Кумулятивный заряд будет при этом соответственно длинно- или короткофокусным.

Таким образом, цилиндрическая часть 8 облицовки непосредственно формирует кумулятивную струю в виде второго фрагмента и используется наряду с первым (элементом от пластинчатого дна 7) в пробивании преграды. Диаметр входного отверстия пробоины в преграде при этом значительно увеличивается по сравнению с диаметром пробоины, образуемой в преграде кумулятивным зарядом с традиционной конической кумулятивной выемкой, используемой в известном наиболее близком к заявленному устройстве. Предлагаемый заряд позволяет создавать в стальной преграде пробоины с входным диаметром не менее диаметра d облицовки и мало изменяющимся в поперечном размере вплоть до глубины (1,5÷2,0)⋅d.

Кроме того, из-за отсутствия низкоскоростной части кумулятивной струи (песта), формируемой из части металла конической облицовки, находящейся в вершине конуса, практически исключается вероятность закупоривания пробоины металлом струи.