Взрывной патрон для прострелочно-взрывных работ

Изобретение относится к средствам инициирования и предназначено для инициирования детонирующего шнура в герметичной прострелочно-взрывной аппаратуре, использующейся преимущественно при геологоразведке и разработке нефтяных и газовых месторождений. Взрывной патрон состоит из корпуса (гильзы без дна), в котором размещены электровоспламенительный узел, передаточный заряд и малогабаритный капсюль-детонатор, состоящий из оболочки, содержащей инициирующий заряд БВВ и основной заряд БВВ. Между малогабаритным капсюлем-детонатором и передаточным зарядом имеется промежуток. В стенке корпуса в области промежутка выполнено одно или несколько отверстий, сообщающих промежуток с окружающей средой. Дно оболочки выполнено из металла или сплава, имеющего высокое значение акустической жесткости (произведения плотности на скорость звука), например, меди, стали. Толщина дна оболочки составляет 0,15-0,25 мм. Соотношение линейных плотностей дна оболочки и заряда БВВ находится в пределах от 0,3 до 0,6. Оболочка может быть выполнена в виде колпачка с пробитым дном, в который вставлен элемент, формирующий дно: пластина, чашечка, второй колпачок. Технический результат изобретения состоит в повышении технологичности патрона и снижении опасности его производства. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к средствам инициирования и предназначено для инициирования детонирующего шнура в герметичной прострелочно-взрывной аппаратуре, использующейся преимущественно при геологоразведке и разработке нефтяных и газовых месторождений.

Одной из проблем прострелочно-взрывных работ с использованием герметичных прострелочно-взрывных аппаратов многоразового использования является предотвращение аварий, возникающих при нарушении их герметичности. Срабатывание детонирующего шнура в аппарате, заполненном скважинной жидкостью, приводит к деформации корпуса и заклиниванию его в обсадной колонне. Поэтому взрывные патроны, использующиеся в герметичной прострелочно-взрывной аппаратуре, наряду со своими обычными функциями, как правило, обладают предохранительным действием, которое заключается в том, что при погружении в жидкость взрывной патрон не может инициировать присоединенный к нему детонирующий шнур.

Известны взрывной патрон ПВПД-Н [1], электродетонатор [2], предохранительное действие которых обеспечивается за счет перекрытия форса пламени электровоспламенителя скважинной жидкостью. Патрон ПВПД-Н состоит из тонкостенной металлической оболочки (гильзы без дна), в которой размещены электровоспламенитель и передаточный заряд, между которыми имеется промежуток. В стенке гильзы взрывного патрона ПВПД-Н в области промежутка между электровоспламенителем и передаргочным зарядом выполнено отверстие, сообщающее промежуток с окружающей средой.

Передаточный заряд представляет собой колпачок с запрессованными в него зарядами бризантного взрывчатого вещества (БВВ), инициирующего (ИВВ) и зажигательного пиротехнического состава. Открытый торец колпачка и соответственно зажигательный состав обращен в сторону электровоспламенителя, дно колпачка и соответственно заряд БВВ - в сторону присоединяемого к гильзе детонирующего шнура.

Электровоспламенитель включает колодочную часть с мостиком накаливания и воспламенительным составом, зафиксированную в металлическом колпачке. Металлический колпачок предохраняет воспламенительный состав, нанесенный на мостик накаливания, от воздействия влаги. На дне колпачка выполнена фигурная подштамповка в виде звездочки, утоняющая локальные участки дна.

Патрон ПВПД-Н работает следующим образом. При подаче высокочастотного электрического сигнала срабатывает электровоспламенитель. Форс газообразных продуктов разрушает дно колпачка электровоспламенителя, ослабленное фигурной подштамповкой, проходит воздушный промежуток и поджигает через открытую поверхность зажигательный пиротехнический состав в передаточном заряде. От теплового импульса срабатывает заряд ИВВ, инициирующий заряд БВВ, который в свою очередь инициирует присоединенный к патрону детонирующий шнур.

При разгерметизации прострелочно-взрывного аппарата промежуток между электровоспламенителем и передаточным зарядом через отверстие в стенке гильзы заполняется скважинной жидкостью, которая препятствует движению форса газообразных продуктов срабатывания электровоспламенительного узла к передаточному заряду.

Недостаток патрона ПВПД-Н состоит в недостаточной надежности функционирования, которая связана со следующими факторами.

При массовом производстве сложно обеспечить точные размеры фигурной подштамповки дна колпачка электровоспламенителя. При недостаточной глубине подштамповки, возникающей, например, при износе штамповочного инструмента, возможны отказы из-за того, что дно колпачка под воздействием продуктов срабатывания воспламенительного состава не вскрывается должным образом. При сквозном пробитии дна колпачка, которое также можно получить в процессе фигурной подштамповки, воспламенительный состав может быть испорчен под действием высокой температуры и влажности в процессе спуска прострелочно-взрывного аппарата в скважину, продолжающегося несколько часов.

Передаточный заряд в патроне ПВПД-Н открыт. Содержащийся в нем зажигательный пиротехнический состав достаточно устойчив к воздействию влаги. Тем не менее, нарушения условий хранения (например, хранение в негерметичной упаковке во влажной среде) и последующее воздействие высокой температуры и влажности в процессе спуска прострелочно-взрывного аппарата могут привести к снижению его чувствительности и получению отказа.

Следует отметить и такой недостаток ПВПД-Н и подобных ему патронов, как высокую зависимость надежности функционирования от массы воспламенительного состава в электровоспламенителе. При большой массе воспламенительного состава, возрастает риск отказов в предохранительном действии, так как мощный поток продуктов срабатывания может выбросить скважинную жидкость из промежутка между электровоспламенителем и передаточным зарядом и поджечь зажигательный заряд в передаточном заряде. При недостаточной массе воспламенительного состава могут иметь место отказы в воспламенении зажигательного заряда.

Малый разброс массы воспламенительного состава можно обеспечить при прессовании его навески непосредственно на мостик накаливания. Для исключения обрывов мостик накаливания должен опираться на поверхность колодочной части электровоспламенителя. Однако в такой конструкции имеет место большой отток тепла, выделяемого на мостике при подаче электрического тока, в колодочную часть. При ограничении величины протекающего по мостику накаливания электрического тока, что имеет место, например, в электровоспламенителе с трансформаторной связью цепей питания и мостика накаливания (а именно такой электровоспламенитель используется в пагроне ПВПД-Н), тепловой энергии может не хватать для надежного воспламенения воспламенительного состава. Тогда для сокращения тепловых потерь мостик накаливания припаивают к проводам, выступающим из колодочной части несколько миллиметров. Нанесение воспламенительного состава производится путем окунания мостика накаливания в суспензию воспламенительного состава в летучем растворителе. При такой технологии в силу целого ряда причин воспламенительные головки оказываются разных размеров. Контроль, осуществляемый путем визуального сравнения воспламенительных головок с контрольными образцами, субъективен и не гарантирует полной выбраковки негодных образцов.

Недостатков, присущих конструкции патрона ПВПД-Н, лишены взрывные патроны, предохранительное действие в которых обеспечивается за счет разрыва детонационной цепи. Примерами такой конструкции являются инициирующее устройство [3] и взрывной патрон ПВПД-М [4], выбранный в качестве прототипа настоящего изобретения.

Патрон ПВПД-М состоит из гильзы без дна, в которой размещены малогабаритный электродетонатор, и передаточный заряд. Между малогабаритным электродетонатором и передаточным зарядом имеется воздушный промежуток. В стенке гильзы взрывного патрона ПВПД-М в области этого промежутка выполнено отверстие, сообщающее промежуток с окружающей средой.

Передаточный заряд представляет собой колпачок, в который запрессованы заряды БВВ и ИВВ, закрытые чашечкой. Чашечка и заряд ИВВ обращены в сторону малогабаритного электродетонатора. Дно колпачка и заряд БВВ обращены в сторону присоединяемого к патрону детонирующего шнура.

Малогабаритный электродетонатор представляет собой колодочку с выводными проводами и мостиком накаливания, на которую напрессованы заряды ИВВ и БВВ, закрытые алюминиевым колпачком.

Патрон ПВПД-М работает следующим образом. При подаче электрического сигнала срабатывает малогабаритный электродетонатор. При детонации заряда БВВ происходит метание дна алюминиевого колпачка в направлении передаточного заряда. При соударении дна колпачка с передаточным зарядом возникает ударная волна, которая инициирует заряд ИВВ передаточного заряда. Далее происходит ударно-волновое инициирование заряда БВВ и присоединенного к патрону детонирующего шнура.

При разгерметизации прострелочно-взрывного аппарата промежуток между малогабаритным электродетонатором и передаточным зарядом через отверстие в стенке гильзы заполняется скважинной жидкостью. Скорость метания дна в конденсированной среде резко падает. Осколочное инициирование становится невозможным. Ударно-волновое инициирование не происходит из-за ослабления ударной волны в процессе ее движения по промежутку от заряда БВВ к передаточному заряду.

Скорость метания дна оболочки малогабаритного электродетонатора взрывного патрона ПВПД-М определяется массой заряда БВВ, которая может снаряжаться с высокой точностью. Подштамповки дна оболочки не требуется. Передаточный заряд закрыт чашечкой. Все это позволяет повысить надежность функционирования взрывного патрона ПВПД-М. Однако он менее технологичен, а его производство более опасно.

Для обеспечения предохранительности длина промежутка между малогабаритным электродетонатором и передаточным зарядом в патроне ПВПД-М составляет 30 мм (в ПВПД-Н длина промежутка - 11 мм), что требует использования в конструкции гильз значительной длины нетехнологичных в производстве.

При производстве патрона ПВПД-М имеется 2 особо опасных операции прессования зарядов ИВВ (при изготовлении передаточного заряда и при изготовлении малогабаритного электродетонатора).

Цель настоящего изобретения состоит в повышение технологичности за счет уменьшения длины промежутка и соответственно длины гильзы взрывного патрона и снижении опасности производства, связанной со снаряжением передаточного заряда.

Поставленная цель достигается путем применения в качестве материала дна оболочки заряда БВВ в малогабаритном электродетонаторе металла или сплава с высоким значением акустической жесткости (произведения плотности на скорость звука), например, меди, латуни, выполнении толщины дна оболочки в пределах 0,15-0,25 мм и отношения линейной плотности дна оболочки (произведения плотности материала дна на его толщину) к линейной плотности метающего его заряда БВВ (произведения плотности заряда на его высоту) в пределах от 0,3 до 0,6. Передаточный заряд при этом содержит только термостойкое БВВ, например, гексоген, октоген.

Предлагаемый взрывной патрон представлен на чертеже. Он состоит из корпуса (гильзы без дна) 1, в котором размещены электровоспламенительный узел 2, передаточный заряд 3 и малогабаритный капсюль-детонатор, представляющий собой оболочку 4, содержащую инициирующий заряд БВВ, или ИВВ и основной заряд БВВ 5. Между малогабаритным капсюлем-детонатором и передаточным зарядом 3 имеется промежуток 6. В стенке корпуса 1 в области промежутка 6 выполнено отверстие 7, сообщающее промежуток 6 с окружающей средой.

Передаточный заряд 3 представляет собой колпачок 8, в который запрессован заряд БВВ, закрытый чашечкой 9. Чашечка 9 предохраняет заряд БВВ от воздействия влаги.

Оболочка 4 представляет собой металлический колпачок или, как показано на фиг.1, является комбинированной конструкцией, состоящей из колпачка с пробитым дном 10, в который вставлен второй колпачок 11. Элементом, образующим дно оболочки 4 наряду со вторым колпачком 11 может быть пластина или чашечка. Комбинированная конструкция обеспечивает возможность изготавливать стенки и дно оболочки 4 из разных материалов, а также выполнять дно оболочки 4 с толщиной, меньшей, чем ее стенок. Дно оболочки 4 выполняется из металла или сплава, имеющего высокое значение акустической жесткости. Толщина дна оболочки 4 составляет 0,15-0,25 мм. Отношение линейных плотностей дна оболочки 4 и заряда БВВ 5 находится в пределах от 0,3 до 0,6.

Взрывной патрон работает следующим образом. При подаче электрического сигнала срабатывает малогабаритный электродетонатор. Дно оболочки 4 при детонации заряда БВВ 5 метается в направлении передаточного заряда 3. Соударение приводит к возбуждению детонации передаточного заряда 3. Последний инициирует присоединенный к патрону детонирующий шнур.

Механизм предохранения авалогичен механизму предохранения прототипа. При разгерметизации простредочно-взрывного аппарата промежуток 6 через отверстие 7 заполняется скважинной жидкостью. Осколочное инициирование передаточного заряда 3 становится невозможным из-за низкой скорости метания дна оболочки 4 в конденсированной среде. Ударно-волновое инициирование передаточного заряда 3 не происходит из-за ослабления ударной волны от заряда БВВ 5 в процессе ее движения по промежутку 6.

Применение в качестве материала дна оболочки 4 металла или сплава с высоким значением акустической жесткости при толщине дна в пределах 0,15-0,25 мм и соотношении линейных плотностей дна оболочки 4 и метающего ее заряда БВВ 5 в пределах от 0,3 до 0,6 позволяет обеспечить критические условия осколочного инициирования передаточного заряда 3 при минимальной массе заряда БВВ 5. Следствием минимизации массы заряда БВВ 5 является снижение начальной интенсивности создаваемой им ударной волны. Поэтому длина промежутка 6, в котором происходит ослабление ударной волны до уровня, исключающего возможность инициирования передаточного заряда 3, существенно уменьшается и может составлять 6-10 мм.

Выбор параметров заявляемой конструкции взрывного патрона произведен, исходя из результатов экспериментов, приведенных в таблице, с учетом запасов по надежности инициирования и предохранительному действию и необходимых для производства технологических допусков. В экспериментах для каждого варианта конструкции определялось значение длины промежутка, при котором взрывной патрон, погруженный в воду, не инициирует детонирующий шнур. Далее при этом значении длины промежутка оценивалась безотказность срабатывания взрывного патрона на воздухе (знак “-” указывает на наличие отказов, знак “+” - на их отсутствие).

Физическое объяснение результатов таблицы следующее:

При применении в качестве материала дна металла или сплава с высоким значением акустической жесткости (меди, железа) и толщине дна 0,1 мм достигаются высокие значения давления соударения, однако безотказное инициирование передаточного заряда не происходит из-за малого времени действия этого давления, которое определяется толщиной дна. При увеличении толщины дна давление соударения уменьшается, так как более тяжелое дно разгоняется до меньших скоростей. Но при этом увеличивается и время действия давления, что приводит к достижению критических условий инициирования передаточного заряда. При дальнейшем увеличении толщины дна скорость его метания становится недостаточной для создания значений давления соударения, требуемых для инициирования передаточного заряда.

При достаточно больших значениях соотношения линейных плотностей дна и метающего дно заряда БВВ не обеспечивается высокая скорость метания дна и соответственно высокое давление соударения. При достаточно малых значениях этого соотношения и соответственно достаточно большой массе заряда БВВ увеличивается длина промежутка, требуемая для предохранительного действия. А при большой длине промежутка имеют место отказы в инициировании передаточного заряда, связанные с рассеянием осколков, торможением периферийных осколков при касании ими стенок корпуса, значительной разновременностью соударений осколков с поверхностью передаточного заряда. В отличие от отказов, связанных с недостаточными давлением или временем соударения, такие отказы не имеют четко выраженной связи с энергетическими характеристиками осколков.

При применении в качестве материала дна алюминия достигаются высокие скорости метания осколков, однако из-за невысокого значения акустической жесткости давление соударения осколков с передаточным зарядом оказывается недостаточным для инициирования последнего.

Список литературы

1. Комплект конструкторской документации на взрывной патрон ПВПД-Н ДИШВ.773955.501. Инв. №№14687, 15715. ФГУП НПП “Краснознаменец”, 1992 г.

2. Патент США №2759417. 1956 г.

3. Патент США №2891477. 1955 г.

4. Комплект конструкторской документации на взрывной патрон ПВПД-М ТУ 41-12-047-89. Инв. вх. №№4166,4241. ФГУП НПП “Краснознаменец”. 1989 г.

1. Взрывной патрон для прострелочно-взрывных работ, содержащий электровоспламенительный узел, передаточный заряд и капсюль-детонатор, включающий заряд бризантного взрывчатого вещества (БВВ) в оболочке в виде колпачка, размещенные в корпусе - гильзе без дна, в стенке которого в области промежутка между оболочкой и передаточным зарядом выполнено одно или несколько отверстий, отличающийся тем, что дно оболочки выполнено из металла или сплава, имеющего высокое значение акустической жесткости, например, меди, стали, толщина дна оболочки составляет 0,15-0,25 мм, а отношение линейной плотности дна оболочки к линейной плотности заряда БВВ находится в пределах от 0,3 до 0,6.

2. Взрывной патрон по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена в виде колпачка с пробитым дном, в который вставлен элемент, формирующий дно: пластина, чашечка, второй колпачок.