КУМУЛЯТИВНЫЙ ЗАРЯД С БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОБЛИЦОВКОЙ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к технике кумулятивных зарядов, в частности к технологии получения методом порошковой металлургии кумулятивных облицовок, которые могут быть использованы в перфорационной технике при прострелочно-взрывных работах в нефтеразведке.

Известен кумулятивный заряд с облицовкой, изготовленный из псевдосплава вольфрам-медь (патент N 2530800, Франция, ЗМПК F 42 B 1/2). Этот материал получают из порошков вольфрама и медли по известной технологии порошковой металлургии: смешивание-прессование - спекание. Однако такая технология его получения не обеспечивает достаточной связности частиц вольфрама и меди и, соответственно, получения повышенных пластических характеристик. К тому же, при различных технологических операциях может происходить сегрегация тяжелых частиц вольфрама в шихте вольфрам-медь, что приводит к появлению разноплотности и анизотропии физико-механических свойств прессуемых облицовок. Вследствие этого происходит раннее разрушение образующейся кумулятивной струи, уменьшение глубины пробития. Кроме того, из наружной части облицовок, не участвующей в образовании кумулятивной струи, образуется пест, способный забивать пробиваемые перфорационные каналы.

В связи с этим, на практике используются металлические 2-х слойные облицовки, состоящие из различных по функциональному назначению и резко отличающимся по свойствам материалов. У них, как правило, наружный слой имеет состав, разрушающийся в процессе схлопывания облицовки и поэтому пест не образуется.

Известен кумулятивный заряд с двухслойной металлической облицовкой, состоящий из двух различных материалов (патент N 2522805, Франция, 3МПК F 42 B 1/02 - прототип). Внутренний слой облицовки изготовлен из меди, а наружный слой имеет состав, способный разрушаться на отдельные частицы в момент функционирования заряда. В частности, наружный слой облицовки может состоять из смеси металлического порошка с эпоксидной смолой или полиэтиленом. Применение такой облицовки не обеспечивает необходимого гидродинамического качества пробиваемого перфорационного канала. Использование меди для внутренней поверхности облицовки, из которой в основном образуется кумулятивная струя, и наружного слоя, разрушающегося при функционировании заряда, не позволяет получают перфорационный канал необходимой длины и диаметра.

Известен способ изготовления двухслойный металлической облицовки кумулятивного заряда (патент N 2522805, Франция, 3МПК F 42 B 1/02 - прототип). По этому способу внутренний слой облицовки получают методом ротационной холодной вытяжки (выдавливания), а наружный слой-методом напыления (осаждения) различных металлов. Однако технологический процесс получения двухслойных облицовок, указанных выше, достаточно сложен и трудоемок при их производстве.

Кроме того, ресурс повышения глубины пробития ограничен и образуемые песты забивают пробиваемые перфорационные каналы. Для повышения эффективности кумулятивных облицовок за счет увеличения глубины пробития необходимо применение материалов повышенной плотности. В связи с этим, наибольшей потенциальной возможностью получения таких материалов является метод порошковой металлургии, в частности технология получения композиционного материала вольфрам-медь.

Задачей заявленного изобретения является повышение эффективности кумулятивного заряда, используемого в перфорационной технике.

Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной группы изобретений, является повышение гидродинамического качества пробиваемого канала - увеличение глубины, равномерности диаметра и отсутствие песта.

Технический результат достигается следующим образом:
-облицовка кумулятивного заряда изготовляется двухслойной (биметаллической);
- внутренний слой облицовки изготовлен из порошкового материала (псевдосплава) повышенной плотности вольфрам-медь, полученного методом механического легирования в аттриторах в атмосфере аргона;
- наружный слой, из которого в основном образуется пест, изготовлен из смеси порошков, взятых в соотношении, препятствующем пестообразованию за счет его разрушения в процессе образования кумулятивной струи.

Глубина пробития кумулятивной струи, образуемой из материала внутреннего слоя облицовки, прямо пропорциональна его плотности. Поэтому внутренний слой облицовки изготовлен из материала повышенной плотности.

В процессе обработки в аттриторах в атмосфере аргона частицы порошков вольфрама и меди подвергаются значительному пластическому деформированию, разрушению и схватыванию друг с другом под влиянием действующих усилий, образуя композитные гранулы с равномерно распределенными фазами и их высокой степени адгезии, превышающей их связность при обычном смесевом варианте и сравнимой, в приближении, со степенью их схватывания при высокотемпературной пропитке медью вольфрамового каркаса.

Кроме того, узкий равномерный интервал образуемых композитных гранул (10-15 мкм) способствует получению облицовок с равномерными свойствами по плотности и пористости, что способствует увеличению так называемой динамической пластичности сплава при высокоскоростном нагружении в результате схлопывания облицовки и ослабляет отрицательное воздействие волн разгрузки на материал при образовании кумулятивной струи. Следует отметить, что остаточная пористость способствует увеличению диаметра пробиваемого канала. Таким образом, создание на внутренней поверхности облицовки порошкового слоя материала повышенной плотности и пористости в определенных пределах увеличивает глубину и диаметр перфорационного канала.

Наружный слой биметаллической облицовки изготовляется из порошков меди или железа с добавлением легкоплавких металлов типа висмута, свинца и др. в к-ве 8-12%. В указанную смесь порошков добавлен графит в к-ве 1-1,5%.

Графит, вводимый в указанные материалы, располагается по границам частиц порошков и ослабляет их металлические связи в процессе прессования облицовок или образует хрупкие фазы при возможном высокотемпературном спекании. Это способствует разрушению наружного слоя облицовки, в результате чего пест не образуется. Такая биметаллическая облицовка позволяет значительно повысить эффективность кумулятивного заряда.

Однако при изготовлении порошковых тонкостенных облицовок с их специфическими требованиями необходима высокая степень однородности материала по плотности, пористости и структуре.

Это потребовало нового способа их изготовления. Прессование облицовок осуществляют во вращающейся пресс-форме. После засыпки соответствующей массы порошка в полость конической матрицы включается вращающееся устройство. За счет возникающих центробежных сил смесь порошков (шихта) распределяется вдоль образующей конуса. Медленно опускаемый в коническое пространство матрицы пунсон дополнительно с высокой степенью точности перераспределяет шихту по толщине прессуемой облицовки.

При отключении двигателя устройства вращение матрицы осуществляется за счет инерционной массы. Пуансон опускается вниз до упора и прессуют шихту под нагрузкой. Удельное давление прессования составляет 3-5 т/см².

На полученный таким образом наружный слой облицовки аналогично напрессовывают внутренний слой из соответствующего вольфрама-медного композиционного порошка.

Воздействие тангенциальных (касательных) сил на внутреннюю и внешнюю поверхности облицовки способствует качественному изменению структуры и свойств материала посредством создания сдвиговой деформации в объеме прессуемой облицовки. Сдвигающие напряжения, возникающие при прессовании, обеспечивают дополнительное уплотнение и схватывание разнородных материалов в приграничных слоях (на границе их раздела), что, в конечном счете, обеспечивает высокую точность по резистентности наносимого вольфрамо-медного слоя повышенной плотности, равномерное распределение плотности пол всему объему облицовки и, соответственно, повышенный уровень физико-механических свойств. Это способствует получению качественной кумулятивной струи и пробиваемого ею перфорационного канала.

Скорость вращения матрицы пресс-формы зависит от конструкции облицовки. Чем меньше угол при вершине конуса облицовки, тем труднее равномерно распределить порошок по образующей конуса и требуется увеличение числа оборотов матрицы. В отдельных случаях скорость вращения матрицы может составлять 100-300 об/мин.

Испытания кумулятивных зарядов с облицовками, изготовленными по описанной выше технологии, показали, что объем получаемых перфорационных каналов и, соответственно, эффективность отдачи по нефти увеличивается на 30-40% по сравнению с существующими зарядами.

На фиг. 1 изображен кумулятивный заряд с биметаллической облицовкой, где
1 - заряд ВВ;
2 - внутренний слой облицовки;
3 - наружный слой облицовки;
На фиг. 2 изображена вращающаяся пресс-форма, где
4 - пуансон;
5 - кольцо, обеспечивающее центрирование пуансона и съем облицовки;
6 - матрица;
7 - инерционная масса;
8 - подшипниковый узел.

Кумулятивный заряд содержит взрывчатое вещество (1) с выемкой в торце, противоположном месту инициирования ВВ. Выемка содержит биметаллическую облицовку с внутренним слоем (2), изготовленным ил порошкового псевдосплава вольфрам-медь, полученного методом механического легирования в аттриторах и наружным слоем (3), изготовленным из порошка меди или железа, с добавлением легкоплавкого металла. Это может быть висмут, свинец и др. Кроме того, в металлический порошок добавлен графит в к-ве 1-1,5%.

При инициировании заряда происходит обжатие облицовки и образование кумулятивной струи. При этом она формируется в основном из материала внутреннего слоя, имеет высокую плотность, хорошие характеристики растяжения и воздействия на преграду.

Наружный слой облицовки в процессе схлопывания разрушается за счет специфического воздействия графита и расплавленного легкоплавкого материала, что предотвращает образование песта.

Изготовление биметаллических облицовок осуществляют во вращающихся прессформах. Прессформа состоит из матрицы (6), которая может вращаться за счет инерционной массы (7), пуансона (4), подшипникового узла (8) и кольца (5), обеспечивающего центрирование пуансона и съем детали прессования.

Процесс изготовления облицовок осуществляют следующим образом. Вначале прессуют наружный слой облицовки. В полость конической матрицы вращающейся прессформы засыпают соответствующую массу порошка (шихты) и включают вращающееся устройство. За счет центробежных сил порошок распределяется вдоль образующей конуса. Медленно опускаемый пуансон равномерно распределяют шихту по толщине прессуемой облицовки. При отключении двигателя устройства и вращении матрицы за счет инерциальной массы пуансон опускается вниз до упора и прессует порошок под определенной нагрузкой. Удельное давление прессования составляет 3-5 т/см². Затем на прессованный наружный слой засыпают соответствующую массу порошка вольфрам-медь и аналогичным образом прессуют внутренний слой биметаллической облицовки.

Число оборотов вращающейся прессформы в зависимости от применяемых материалов составляет 100-300 об/мин. Изготовленные биметаллические облицовки могут быть подвержены термической обработке и дополнительному уплотнению в специальных прессформах при давлениях 5 - 7 т/см².

Как следует из вышеизложенного, технический результат т.е. повышение гидродинамического качества пробиваемых перфорационных каналов обеспечивается только при взаимосвязности выполнения всех существенных признаков заявленной биметаллической облицовки и способа ее изготовления.

Пример
Наружный слой облицовки выполнен из материала следующего состава:
свинец порошковый - 10% (массовых);
графитовый порошок - - 1% (массовых);
медный порошок - основа.

Для равномерного распределения ингредиентов шихту подвергали смешиванию в специальном смесителе. Наружный слой облицовки прессовался из расчетной массы шихты под давлением 4 т/см².

Внутренний слой биметаллической облицовки прессовали при давлении 6 т/см² из порошкового псевдосплава вольфрам-медь, полученного методом механического легирования в аттриторах.

Соотношение фаз в псевдосплаве вольфрам-медь:
вольфрамовый порошок - 50% (массовых);
медный порошок - 50% (массовых).

Процесс механического легирования осуществляли в аттриторах в течение 8 часов, в защитной атмосфере (аргон) с соотношением шихты к массе размольных тел 1:16.

Размер частиц вольфрама и меди в полученном композиционном материале составил 4 - 8 мкм. Размер композиционных гранул после аттриторной обработки - 10-15 мкм.

Плотность биметаллической облицовки после прессования составила:
в наружном слое - 8 г/см³;
во внутреннем слое - 10,5 г/см³.

Облицовки, изготовленные из материала повышенной плотности по описанной выше технологии и помещенные в кумулятивный заряд, обладают пробивной способностью на 30% выше чем у меди.

Пестообразование из материала наружного слоя облицовки и, соответственно, ухудшение качества пробиваемого канала в данном случае исключается.