Кумулятивная торпеда осевого действия

 

Использование: проведение прострелочно-взрывных работ при ремонте и восстановлении буровых скважин. Сущность изобретения: в торпеде, содержащей взрыватель 6, промежуточный взрывной элемент 4 и разрывной заряд 2 взрывчатого вещества с кумулятивной выемкой и облицовкой 3, размещенных в герметичном металлическом корпусе 1 с обтекателем 5, задающим фокусное расстояние, предложено использовать металлический насадок 7 в форме усеченного конического раструба, большим основанием опирающийся на основание облицовки, выполненный из материала с акустической жесткостью, не меньшей акустической жесткости материала облицовки. Предложено использовать облицовку, изготовленную из меди с углом раствора 50 - 70° в комбинации с обтекателем 5, задающим фокусное расстояние, равное (2 - 4) диаметрам разрывного заряда и внутренний кольцевой вкладыш 8 из материала с высокой акустической жесткостью, например, молибдена, тантала, урана или вольфрамового сплава типа ВНЖ, ВНДС, размещенный в кольцевой расточке внутри корпуса в зоне, примыкающей к основанию кумулятивной выемки, а промежуточный взрывной элемент выполнить в виде детонационного распределителя, позволяющего сынициировать разрывной заряд по кольцу шириной (2 - 10) мм с внешним диаметром, равным диаметру заряда в плоскости инициирования. 8 з.п. ф., 2 ил.

Изобретение относится к прострелочно-взрывным работам в скважинах, а именно, к кумулятивным торпедам осевого действия в одиночном и кассетном вариантах их исполнения и предназначено для разрушения оставшихся на забое или в стволе скважин долот, муфт, трубных переходников и других элементов бурового снаряда, мешающих нормальному процессу бурения. Оно также может использоваться при дроблении валунов и твердых пород, затрудняющих бурение скважин, в случае ликвидации прихватов долот и последствий ряда других "нестандартных аварий", например, для разрушения отказавших клапанов в трубах.

При производстве бурильных работ из-за случившейся поломки бурового оборудования в скважине могут остаться неиз- влекаемые металлические части элементов бурового инструмента и оборудования, например, долота, в том числе и с переводником, лапы с шарошкой, роторные клинья, муфты и др. Это приводит к прекращению дальнейшего бурения скважины и длительной ее остановке, необходимой для проведения комплекса сложных и трудоемких подготовительных (очистка скважины от шлама и раздробленного металла, шаблонирования и др.) и прострелочно-взрывных работ. Для проведения прострелочно-взрыв- ных работ применяют специальные кумулятивные торпеды или кассетные головки, состоящие, как правило, из трех кумулятивных торпед (авт.св. СССР N 295866, N 945373).

Все конструкции кумулятивных торпед, в том числе и в составе кассетных головок, приведенных выше источников содержат герметичный, как правило несущий, корпус, в котором размещены разрывной заряд взрывчатого вещества (ВВ) с облицовкой кумулятивной выемки, обращенной в сторону преграды, которую необходимо разрушить. На противоположном торце разрывного заряда установлены взрывной элемент и взрыватель. На переднем торце корпуса установлен обтекатель, высота которого выбирается из условия обеспечения опти- мального фокусного расстояния для подрыва кумулятивного заряда торпеды (расстояния от основания облицовки кумулятивной выемки до преграды в момент подрыва), обеспечивающего максимальное проникающее действие кумулятивной струи формирующейся из металлической облицовки кумулятивной выемки при взрыве разрывного заряда торпеды. При попадании в преграду, установленную на ее пути, кумулятивная струя способна пробить канал длиной, превышающей в несколько раз диаметр заряда.

Однако все известные кумулятивные торпеды, применяемые в прострелочно-взрывных работах, не обладают столь значительным разрушающим действием, чтобы с одного спуска торпеды (кассетной головки) разрушить застрявшие в скважине металлические элементы бурового инструмента до фрагментов таких размеров, которые можно извлечь из скважины с помощью ловителей известного типа.

Такие элементы бурового оборудования, как долота сами по себе и с переводником, а также роторные клинья, требуют в среднем до трех или четырех спусков торпед (кассетных головок). Процесс осложняется еще и тем, что все известные кумулятивные торпеды не только обладают недостаточно большой пробивной способностью (максимально 2,5 или 3,0 калибра торпеды), связанной с неоптимально выбранными параметрами облицовки кумулятивной выемки и заряда ВВ, но и имеют плохую экранную характеристику (зависимость пробивной способности от фокусного расстояния). Они способны разрушать металлические элементы бурового инструмента только при непосредственном контакте обтекателя торпеды с преградой. При этом оптимальное фокусное расстояние кумулятивного заряда торпеды фактически определяется высотой этого обтекателя, которая для известных типов торпед находится в диапазоне размеров от 0,5 до 1,2 их калибров. Удаление торпеды дополнительно на 0,5 калибра от преграды снижает разрушающее действие в два раза, при увеличении этого расстояния до 2-3 калибров действие взрыва приводит только к образованию трещин и небольших осколков (Справочник "Прострелочно-взрывная аппаратура" под редакцией Л.Я. Фридляндера. М. Недра, 1990, с. 180).

Вследствие вышеперечисленных особенностей известных конструкций кумулятивных торпед перед производством каждого очередного спуска торпеды (кассетной головки) необходимо прорабатывать скважину: очищать ее от шлама (раздробленного металла, осыпающейся породы), максимальная толщина слоя которого может достигать пяти диаметров скважины, и проводить шаблонирование, на что приходится затрачивать дополнительное время и значительные средства. Ситуация усугубляется еще и тем, что осыпание породы на место предстоящего подрыва очередной торпеды (кассетной головки) происходит вследствие достаточно сильного фугасного воздействия на стенки скважины разрывного заряда предыдущей торпеды (кассетной головки), которое определяется большой долей пассивной массы ВВ в общей массе разрывного заряда (т.е. той массы, которая в отличие от активной массы ВВ не участвует в процессе взрывного обжатия облицовки кумулятивной выемки). Столь большая доля пассивной массы ВВ, отдающая свою энергию на разрушение корпуса на осколки, характерна именно для кумулятивных зарядов с высокими формами облицовок и углами раствора конической поверхности от 30 до 40^о, что реализовано во всех известных конструкциях используемых торпед.

Техническое решение, использованное в конструкции кумулятивной торпеды по авт. св. СССР N 295866, принятое авторами за прототип и заключающееся в размещении перед кумулятивным зарядом дополнительной шашки ВВ, если и приводит к некоторому повышению разрушающего действия торпеды, однако не устраняет всех других перечисленных выше существенных недостатков (неоптимальные параметры металлической облицовки и заряда ВВ, плохая экранная характеристика, большая пассивная масса ВВ), что не позволяет рассчитывать на качественное изменение всего комплекса проведения работ по восстановлению скважины.

Задачей изобретения является существенное повышение эффективности разрушающего действия кумулятивной торпеды (кассетной головки), позволяющее за счет дополнительного вовлечения в процесс разрушения преграды хвостовой части кумулятивной струи и песта с одновременным значительным снижением фугасного действия взрыва на стенки скважины уменьшенной пассивной массы разрывного заряда ВВ, произвести полное разрушение застрявших в скважине металлических элементов бурового инструмента и обору- дования за один спуск торпеды (кассетной головки) без предварительной очистки скважины от слоя шлама при его толщине, не превышающей пяти диаметров скважины.

Это достигается за счет: установки на основание облицовки кумулятивной выемки разрывного заряда торпеды металлического насадка, выполненного в форме усеченного конического раструба, большим основанием опирающегося на основание облицовки. При этом образующая внутренней конической поверхности насадка составляет с образующей внутренней конической поверхности облицовки угол 90-95^о; внутренний диаметр большего кольцевого основания насадка точно соответствует внутреннему диаметру основания облицовки; толщина стенки составляет (0,06-0,09)˙d, а высота k˙d˙sin(α /2), где d диаметр разрывного заряда, α угол раствора облицовки, а k эмпирический коэффициент, равный 0,091-0,098.

изготовления насадка из материала с акустической жесткостью (произведением плотности материала на объемную скорость звука в материале), не меньшей значения акустической жесткости материала облицовки кумулятивной выемки.

Дополнительное усиление эффекта предлагаемого технического решения может быть достигнуто за счет: изготовления облицовки кумулятивной выемки из меди с углом раствора 50-70^о; применение в составе корпуса торпеды в зоне, примыкающей к основанию облицовки кумулятивной выемки, внутреннего кольцевого вкладыша из материала с высокими плотностью и акустической (динамической) жесткостью, например, молибдена, тантала, урана, вольфрамовых сплавов типа ВНЖ, ВНМ, ВНДС; применения обтекателя с высотой, обеспечивающей фокусное расстояние кумулятивного заряда от двух до четырех диаметров заряда; инициирования разрывного заряда торпеды по кольцу шириной (d₁ d_э)/2, составляющей от 2 до 10 мм, где d₁ диаметр разрывного заряда ВВ, в плоскости инициирования, перпендикулярной оси заряда, а d_э диаметр экрана из инертного материала в кольцевом детонационном распределителе, снаряженном пластическим ВВ.

Известно, что при формировании кумулятивной струи при высокоскоростном обжатии облицовки кумулятивной выемки продуктами взрыва разрывного заряда ВВ в струю переходит только 10-15% материала облицовки. Из остального материала образуется так называемый пест, который движется в том же направлении, что и кумулятивная струя, но с очень малой скоростью 0,5-0,8 км/с по сравнению со струей, скорость головных участков которой достигает 8-9 км/с, а средняя скорость может составлять 5-6 км/с. В процессе пробития стальной преграды участвует только та часть кумулятивной струи, скорость которой превышает 2 км/с. Таким образом, низкоскоростные хвостовые элементы кумулятивной струи и пест в процессе пробития никакого участия не принимают. К тому же пест при движении по каналу, пробитому кумулятивной струей в преграде, застревает в нем, закупоривая канал, т. е. оказывает еще и вредное влияние на процесс очистки скважины.

Применение металлического насадка, выполненного в виде усеченного конического раструба, опирающегося своим большим основанием на основание облицовки, как показали проведенные эксперименты, обеспечивает получение нового качества, а именно, повышает скорость песта до 1,0-1,2 км/с. Пест при ускоренном прохождении по каналу, пробитому в преграде кумулятивной струей, значительно растягивает импульс ударной волны в боковом направлении в преграде. В результате в преграде вдоль оси начинают образовываться раскрытые трещины, и когда трещины достигают противоположного торца преграды, она разрушается.

В процессе получения нового качества участвуют в совокупности три элемента конструкции торпеды корпус, облицовка и насадок. Новое качество достигается только при соблюдении ряда необходимых условий, описывающих взаимное расположение и геометрические соотношения корпуса, облицовки и насадка.

Рассмотрим подробнее механизм процесса схлопывания нижней части конической облицовки, которая обжимается продуктами взрыва последней.

Разгон материала облицовки продуктами взрыва происходит до тех пор, пока их давление, действующее на поверхность облицовки, превышает динамическую прочность материала облицовки. В продуктах взрыва в зоне основания облицовки ввиду малой толщины кольцевого слоя заряда ВВ, а также из-за истечения продуктов взрыва с торцевой части разрывного заряда в зазор, образующийся между движущейся облицовкой и корпусом (обтекателем), происходит быстрое падение давления в них. Установка насадка обеспечивает "запирание" в течение некоторого времени продуктов взрыва в объеме между еще не разрушившейся частью корпуса, облицовкой и насадком. Край облицовки при этом все время скользит по внутренней конической поверхности насадка (но без излишнего натяга, ведущего к торможению), не позволяя продуктам взрыва прорваться, между скользящей кромкой облицовки и поверхностью насадка. Тем самым значительно увеличивается время воздействия давления продуктов взрыва на облицовку, что обеспечивает ее разгон до большей скорости. Такой режим скольжения реализуется если: угол между образующими внутренних поверхностей облицовки и насадка составляет 90-95^о; толщина насадка составляет (0,06-0,09)˙d; высота насадка составляет (0,091. 0,098)˙d˙sin(α /2), где d диаметр разрывного заряда, α- угол раствора облицовки.

Вектор скорости движения материала облицовки при ее обжатии продуктами взрыва кумулятивного заряда (КЗ) направлен не строго по нормали к образующей конической поверхности облицовки, а составляет с нормалью угол от 5 до 10^о. Таким образом, чтобы кромка облицовки скользила по внутренней конической поверхноcти наcадка без зазора, угол между образующими внутренних коничеcких поверхностей облицовки и насадка не должен превышать 95^о. Для плотного (с небольшим натягом) скольжения величина этого угла в конструкции должна быть от 90 до 95^о.

Насовпадение внутренних диаметров контактирующих оснований облицовки и насадка отрицательно сказывается на процессе струеобразования. Если кромка облицовки выступает над внутренней поверх- ностью насадка, то при выходе ударных волн на свободную, не поджатую к основанию насадка поверхность облицовки возникает множественный откол, приводящий к тому, что отколовшиеся фрагменты облицовки, двигаясь с большой скоростью к оси заряда и ударяясь в хвостовую часть кумулятивной струи, будут нарушать ее сплошность, уменьшая в целом пробивную способность КЗ. Если же, наоборот, кромка насадка нависает над основанием облицовки, то она мешает началу движения кромки облицовки, тормозя процесс ее разгона.

Чтобы насадок сохранял свою форму в течение некоторого времени, необходимого для максимального отбора энергии расширяющихся продуктов взрыва основанием облицовки, он должен иметь определенную инерционность, которая характеризуется его массой.

Насадок целесообразно изготавливать из стали, которая, вследствие своих магнитных свойств, относится к материалам, извлекаемым из скважин при помощи магнитных ловителей и, кроме того, обладает достаточной плотностью и динамической прочностью, что позволяет применять насадок приемлемой толщины.

Соответствующая толщина стенки насадка выбирается из условия, что в течение времени, за которое не произойдет расширение корпуса в зоне основания облицовки, влекущее за собой падение давления в продуктах взрыва до величин, меньших значений динамической прочности материала облицовки, насадок будет сохранять свою форму. Это время оценивается по имеющимся экспериментальным данным и результатам газодинамических расчетов аналогичных кумулятивных зарядов в пределах от 12 до 20 мкс от момента начала движения кромки облицовки к оси заряда под действием давления ударной волны и продуктов взрыва. Интенсивность ударно-волнового импульса будет максимальной на контактной границе "облицовка насадок". Следовательно, толщину стенки насадка будет определять его толщина вблизи контактной границы. Так как основным определяющим геометрическим параметром, позволяющим вести сравнение кумулятивных зарядов между собой, является наружный диаметр (d) цилиндрической части кумулятивного заряда в плоскости торца облицовки, то все его основные линейные конструктивные размеры принято задавать в относительных величинах, выраженных в долях этого диаметра. Экспериментально подобранная минимальная толщина насадка составляет 0,06˙d. Фактическую толщину стенки (при условии ее превышения минимального значения) определяет разработчик КЗ, исходя из весовых ограничений, предъявляемых к торпеде. Нецелесообразно более, чем в 1,5 раза превышать минимальное значение толщины стенки насадка.

Способом, позволяющим несколько уменьшить массу насадка при сохранении нового качества является его выполнение с переменной толщиной стенки, которая уменьшается по мере удаления от контактной границы с облицовкой.

Высота насадка будет определяться временем, в течение которого давление расширяющихся продуктов взрыва в объеме, ограниченном корпусом, облицовкой и насадкой, обеспечивает разгон нижней части облицовки, а также временем, в течение которого ударная волна, отразившаяся от корпуса, догонит облицовку и передаст ей свой импульс. Превышение этого времени отрицательно сказывается на разгоне облицовки из-за диссипации энергии на трение и деформацию материала насадка в зоне контакта. Указанное время оценивается в пределах от 15 до 25 мкс, в зависимости от размеров КЗ, толщины корпуса, типа ВВ и др. параметров. Тем самым, зная время, можно определить расстояние (l), которое проходит кромка облицовки при своем ускорении от нуля до максимального значения. Это расстояние составляет (0,091-0,098)˙d.

Найденное расстояние целесообразно перевести в высоту насадка, которую при известном значении угла раствора насадка (угла наклона его образующей) можно рассчитать, пользуясь следующим выражением: h l˙cos γ, (1) где l расстояние, которое проходит ускоряясь кромка облицовки; γ угол наклона образующей насадка.

От угла наклона образующей насадка γ целесообразно перейти к углу раствора облицовки кумулятивной выемки α. Зная угол между образующими насадка и облицовки, можно найти соотношение между этими углами γ 90^о α/2. (2) Подставляя (2) в выражение (1), получим: h l˙sin(α /2) или
h (0,091.0,098) ˙d˙sin(α /2).

Повысить эффективность ударно-волновых процессов в зоне контакта "облицовка насадок" можно за счет определенного сочетания физических свойств их материалов, а именно, если соблюдено условие, при котором акустическая жесткость материала насадка равна или выше акустической жесткости материала облицовки.

В первом случае при равенстве этих параметров контактная граница между облицовкой и насадком становится прозрачной для прохождения ударных волн из материала облицовки в материал насадка, во стором (жесткость материала насадка выше) от контактной границы в облицовку отражается ударная волна. Тем самым устраняется явление множественного откола частиц облицовки у свободной поверхности, которое может нарушить процесс формирования кумулятивной струи. (См. Физика быстропротекающих процессов, перевод под редакцией Златина Н.А. М. Мир, 1971, том 2, с. 325-329).

Если облицовка кумулятивной выемки изготовлена из меди (плотность 8,924 г/см³, объемная скорость звука 3927 м/с), акустическая жесткость которой составляет 3,044˙10⁷ кг˙м^-2˙с^-1, то целесообразно применять насадок из стали, акустическая жесткость которой 3,6098˙10⁷ кг˙м^-2˙с^-1 (плот- ность 7,856 г/см³, объемная скорость звука 4595 м/с). (См. LASL Shock Hugoniot Data (Los Alamos Series on Dynamic Material Properties) Editor S.P.Marsh. University of California Press. Berkeley. Los Angeles. London. 1980. р. 260, 364).

Во всех известных кумулятивных торпедах осевого действия облицовки кумулятивной выемки выполнены с углом раствора от 30 до 40^о. Из соотношений гидродинамической теории кумуляции известно, чем меньше угол раствора облицовки, тем меньшая доля материала облицовки переходит в кумулятивную струю, и, соответственно, тем большая часть материала в низкоскоростной пест. Однако такие тонкие струи весьма неустойчивы из-за их высокой чувствительности к любым технологическим погрешностям изготовления кумулятивного заряда и его элементов, отрицательное влияние которых проявляется через асимметрию процесса струеобразования, приводящую в итоге к значительному снижению проникающего действия в преграду. Кроме того, чем меньше угол раствора облицовки, тем меньше значение оптимального фокусного расстояния, а как отмечалось выше, при малой величине оптимального значения фокусного расстояния требуется проводить очистку скважины от шлама, чтобы сохранить пробивное действие кумулятивной торпеды. И, наконец, нарушается критерий струеобразования (по которому фазовая скорость схлопывания облицовки не должна превышать скорость звука в материле облицовки) для зоны при вершине облицовки, что приводит к диспергированию и образованию низкоплотной головной части струи, так называемой пелены, с малой пробивной силой.

Наиболее пригодным материалом для изготовления облицовок кумулятивных выемок с точки зрения требований к их газодинамическим характеристикам, является медь, обладающая высокими плотностью (8,924 г/см³), откольной прочностью (от 1,21 до 1,93 ГПа при варьировании давлений в падающей косой ударной волне от 4,58 до 13,62 ГПа) и пластичностью вплоть до скоростей деформации (10⁴-10⁵) с^-1 и не имеющая фазовых переходов при динамическом нагружении до давлений 220 ГПа. Следует отметить, что высокая пластичность мате- риала облицовки важна и с точки зрения требований технологии ее изготовления методами формовки (штамповка, ротационное выдавливание и др.).

Диапазон оптимальных углов раствора медных облицовок применительно к решению рассматриваемой задачи находится в пределах от 50 до 70^о и определяется следующими причинами:
необходимостью увеличить долю материала облицовки, переходящего в кумулятивную струю, что позволит получить кумулятивную струю большего диаметра, которая, во-первых, устойчива к воздействию на нее технологических погрешностей изготовления кумулятивного заряда торцеды, а во-вторых, способна к растяжению на большую величину (пробивная способность струи прямо пропорциональна ее длине);
необходимостью получить пест, обладающий большей скоростью по сравнению со скоростью песта, формирующегося из облицовки с малыми углами раствора;
необходимостью увеличить значение оптимального фокусного расстояния, для этого, чтобы успешно разрушать преграды, засыпанные слоем шлама;
необходимостью уменьшения высоты кумулятивного заряда, что при том же диаметре заряда равносильно уменьшению массы разрывного заряда, а следовательно, и уменьшению фугасного действия торпеды (кассетной головки) на стенки скважины;
необходимостью свести к минимуму протяженность той части облицовки в зоне, примыкающей к ее вершине, которая, вследствие невыполнения условия струеобразования, диспергируется и образует низкоплотную головную часть пелену, не обладающую сколь-нибудь значительным пробивным действием.

Увеличение угла раствора выше 70^о нецелесообразно из-за значительного уменьшения длины образующей облицовки, которая в конечном итоге определяет длину кумулятивной струи, а следовательно, и ее пробивное действие. Облицовки с углами меньшими 50^о формируют достаточно тонкие струи, которые в значительно большей мере зависят от технологических погрешностей изготовления КЗ торпеды. Заряды с такими облицовками обладают из-за большой массы ВВ повышенным фугасным действием на стенки скважины.

Дополнительное повышение скорости песта можно получить, если корпус торпеды выполнить с кольцевой расточкой на внутренней поверхности в зоне, примыкающей к оcнованию облицовки, в которой размеcтить внутренний вкладыш, изготовленный из материала с высокой акустической жесткостью, например, из молибдена, тантала, урана, вольфрамовых сплавов типа ВНЖ, ВНМ, ВНДС, тогда как корпус может быть изготовлен из алюминиевого сплава, или титана, или стали. Алюминиевый сплав и титан позволяют значительно уменьшить массу спускаемой торпеды (кассетной головки), но в отличие от стали не извлекаются из скважины магнитными ловителями при проведении очистки ствола скважины после подрыва торпеды (кассетной головки). Положительный эффект от применения внутреннего кольцевого вкладыша из материала с высокой акустической (динамической) жесткостью заключается в том, что даже при равном коэффици- енте нагрузки β= М/m (где М и m массы корпуса и заряда ВВ, соответственно, на единицу длины) для однослойного и двухслойного корпусов отраженные от последнего ударные волны будут большей интенсивности по импульсу действия на метаемую облицовку.

Фокусное расстояние является важным конструктивным параметром, определяющим эффективность пробивного действия кумулятивной торпеды. Диапазон фокусных расстояний, в котором кумулятивный заряд сохраняет высокую эффективность, зависит во многом от точности (прецизионности) изготовления КЗ, от конструктивных параметров КЗ и, в первую очередь, от геометрии облицовки (в особенности от угла раствора), от материала и протяженности той преграды, которую необходимо пробить. В нашем случае необходимо рассмотреть все возможные случаи применения спускаемой торпеды (кассетной головки) в скважине.

Предлагаемые кумулятивные торпеды (кассетные головки) могут быть подорваны как непосредственно при контакте обтекателя с металлической преградой, так и через слой шлама толщиной до пяти диаметров скважины (D_c). Расстояние от основания облицовки кумулятивной выемки до дна обтекателя, равное (2,0-4,0)˙d, является оптимальным для предлагаемой конструкции торпеды, так как именно в этом диапазоне обеспечивается ее максимальное пробивное действие, которое существенно превышает толщину металлических деталей бурового инструмента и оборудования, застрявших в скважине. Имеющийся запас в пробитии позволяет разрушать преграду не только при непосредственном контакте с ней обтекателя торпеды, но и при работе через слой шлама, плотность которого, даже если принять ее близкой к плотности бетона (2,3 г/см³), в 3,5 раза ниже плотности стали, и который, следовательно, легко пробивается кумулятивной струей.

Такую слоеную преграду из шлама и металла предлагаемая торпеда способна пробивать при расположении торца облицовки от металлической части преграды, на расстоянии, не превышающем 15 диаметров заряда. При дальнейшем увеличении этого расстояния пробивная способность кумулятивной струи начинает резко падать. Это связано с отрицательным влиянием на гидродинамическое течение технологических погрешностей изготовления заряда, которые проявляются в виде радиальных составляющих скорости кумулятивной струи и приводят к тому, что траектории отдельных фрагментов, на которые распадается струя, не совпадают.

При спуске в скважину кассетной головки с тремя осесимметрично расположенными торпедами соотношение между диаметром скважины D_с и диаметром заряда торпеды d составляет ≈2,2. Максимальная толщина слоя шлама, пробиваемого торпедой, рассчитанная исходя из максимального расстояния от основания облицовки до металлической преграды, равного 15d, и расстояния от основания облицовки до дна обтекателя, равного 4d, составляет 11d или 5D_с.

Дополнительное уменьшение фугасного воздействия разрывного заряда спускаемой торпеды на стенки скважины достигается также за счет изменения конструкции разрывного заряда в зоне, примыкающей к взрывателю. Взрывной элемент, расположенный в зоне взрывателя и предназначенный для того, чтобы от инициирующего импульса взрывателя сформировать в разрывном заряде расходующуюся сферическую детонационную волну, выполнен в виде детонационного распределителя, состоящего из взрывонепроводящего (ослабляющего ударно-волновой импульс) экрана, изготовленного, например, из пенопластов различных марок (пенополистирола, пенодифлона и т. п.) и заряда пластического взрывчатого вещества (ПВВ) толщиной 1-6 мм с критическим диаметром детонации, меньшим, чем 2 мм. Инициирование разрывного заряда детонационным распределителем производится по кольцу шириной (d₁ d_э)/2, где d₁ наружный диаметр разрывного заряда торпеды, в плоскости инициирования, перпендикулярной оси заряда, а d_э наружный диаметр взрывонепроводящего экрана. Указанная ширина составляет величину от 2 до 10 мм, которая гарантирует надежную передачу детонационного импульса от ПВВ к ВВ разрывного заряда. Максимальный эффект от применения такого детонационного распределителя достигается при выполнении условия, при котором d₁ d_max, где d_max наибольший из возможных для реализации в данной конструкции разрывного заряда диаметров плоскости инициирования по кольцу. Если d₁d_max d на всей длине разрывного заряда (т.е. корпус торпеды представляет собой равностенную цилиндрическую трубу), то оптимальное расстояние от вершины облицовки кумулятивной выемки до плоскости инициирования выбирается в зависимости от угла раствора облицовки и таких параметров ВВ разрывного заряда, как чувствительность к ударной волне и времени выхода детонации на нормальный режим. Величина этого расстояния может варьироваться в пределах от (0,18-0,28)˙d, для угла α= 50^о, до (0,26-0,38)˙d, для α 70^о. Следует отметить, что в любом случае увеличение ее за предел 0,5˙d нежелательно, так как значительно возрастает пассивная, с точки зрения кумулятивного эффекта, масса ВВ и общее фугасное действие торпеды на стенки скважины.

Форма взрывонепроводящего экрана в детонационном распределителе может быть также различной: от наиболее простой цилиндрической с плоскими торцами до односторонне выпуклой в форме конуса или двояковыпуклой в форме двухстороннего конуса. Если в первых двух случаях экраны делают конструкцию детонационного распределителя наиболее технологичной, с точки зрения изготовления разрывного заряда и сборки торпеды (при меньшей массе ВВ во втором варианте экрана), то в третьем случае, где нижний конус может практически достигать вершины облицовки кумулятивной выемки, при усложнении технологии изготовления деталей торпеды и ее снаряжения уменьшается масса разрывного заряда и, соответственно, фугасное действие на стенки скважины. Масса ПВВ, содержащаяся в детонационном распределителе, как минимум в 4-5 раз меньше, чем масса ВВ во взрывном элементе, установленном во всех известных конструкциях кумулятивных торпед (кассетных головок). Принцип инициирования по кольцу известен, (см. Физика взрыва. М. Наука, 1975, с. 373, 424).

Применение детонационного распределителя имеет еще три других преимущества: дополнительно уменьшается на 15-20% высота кумулятивной торпеды, что приводит к уменьшению ее массы; повышается скорость обжатия облицовки кумулятивной выемки, а следовательно, и скорость кумулятивной струи, за счет того, что процесс формирования кумулятивной струи идет в режиме сходящейся падающей на облицовку детонационной волны, создающей большее давление на поверхности облицовки по сравнению со сферической скользящей детонационной волной, реализованной во всех известных конструкциях торпед; стабильность работы зарядов торпед в кассетной головке позволяет значительно уменьшить разновременность срабатывания зарядов, тем самым существенным образом снижается их взаимное влияние друг на друга и значительно повышается эффективность применения кассетных прострелочных торпед.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой кумулятивной торпеды осевого действия с металлическим насадком, которая может применяться как индивидуально, так и в составе кассетной головки. На фиг. 2 показан вариант выполнения торпеды.

Предлагаемая авторами конструкия кумулятивной торпеды осевого действия (см. фиг. 1) содержит герметичный металлический корпус 1, разрывной заряд ВВ 2 с кумулятивной выемкой и облицовкой 3, взрывной элемент 4, обтекатель 5, размещенный в нижней части корпуса, взрыватель 6, металлический насадок 7, установленный на основание облицовки кумулятивной выемки, при этом взрывной элемент 4 и взрыватеоль 6 расположены последовательно и осесимметрично над разрывным зарядом 2.

Вариант исполнения торпеды представлен на фиг. 2, где корпус 1 в зоне основания кумулятивной выемки выполнен с кольцевой расточкой на внутренней поверхности, в которой размещен кольцевой вкладыш 8, изготовленный из материала с высокой акустической жесткостью, а взрывной элемент выполнен в виде детонационного распределителя, состоящего из экрана 10, изготовленного из взрывонепроводящего (ослабляющего ударно-волновой импульс) материала, корпуса 9 и размещенного между ними слоя пластического ВВ 11 толщиной 1-6 мм.

Представленная конструкция кумулятивной торпеды осевого действия (кассетной головки) работает следующим образом.

При достижении спускаемой в скважину кумулятивной торпеды (кассетной головки) дна скважины (поверхности застрявших в ней металлических деталей бурового инструмента и оборудования или поверхности шлама высотой не более пяти диаметров скважины) выдается команда на срабатывание взрывателя 6 (см. фиг. 1), от инициирующего импульса которого детонирует взрывной элемент 4, передающий детонацию разрывному заряду 2. Сферическая детонационная волна, распространяющаяся по разрывному заряду 2, достигнув поверхности облицовки 3, начинает процесс формирования кумулятивной струи и песта. При достижении детонационной волной переднего торца разрывного заряда под действием давления продуктов детонации начинает разгоняться основание облицовки. Опирающийся на основание облицовки насадок 7 в течение времени, за которое не произойдет разрушение корпуса 1 в зоне основания облицовки и изменение формы самого насадка, исключит прорыв продуктов детонации в зазоре между своей внутренней конической поверхностью и скользящей по этой поверхности кромкой облицовки 3. Тем самым основание облицовки приобретет дополнительную скорость. Отраженная от стенки корпуса ударная волна успеет догнать движущийся к оси материал зоны основания облицовки и передаст ему дополнительный импульс, способствующий разгону кромки облицовки. В тот момент, когда давление продуктов детонации, заключенных в пространстве, ограниченном корпусом 1, насадком 7 и облицовкой 3, станет недостаточным для дальнейшего ускорения основания облицовки, из-за расширения этого пространства за счет движущейся облицовки, разрушения корпуса 1 в зоне основания облицовки, а также изменения формы насадка (скорость этого процесса на порядок меньше скорости движения облицовки), кромка облицовки достигнет конца насадка и сорвется с его конической поверхности. Тем самым возможное торможение нижней части облицовки, движущейся по инерции, будет исключено. В результате сформируются: кумулятивная струя с повышенной скоростью ее хвостовых элементов, что повышает пробивное действие торпеды за счет увеличения эффективной длины кумулятивной струи (той части струи, которая непосредственно участвует в процессе формирования канала в преграде), а также пест со скоростью 1,0-1,2 км/с, который при прохождении по каналу в преграде, пробитому кумулятивной струей, значительно растягивает импульс ударной волны, распространяющейся в боковом направлении к стенкам скважины в материале преграды.

Так как преграда в радиальном (боковом) направлении имеет ограниченные размеры (диаметр скважины либо практически совпадает с диаметром спускаемой торпеды, либо примерно в 2,2 раза больше диаметра торпеды, если она спускается в составе кассетной головки), то под действием указанного выше импульса ударной волны вдоль оси преграды начинают образовываться раскрытые трещины. Когда эти трещины достигают противоположного конца преграды, то преграда разрушается на части, которые уже можно извлечь из скважины с помощью ловителей различных типов.

Обтекатель 5, закрепленный на переднем торце корпуса 1, высота которого обеспечивает фокусное расстояние, равное 2,0-4,0 диаметрам разрывного заряда, способствует тому, что пробивное действие кумулятивной торпеды оптимально для применения ее как в случае непосредственного касания обтекателем поверхности преграды, так и в случае срабатывания торпеды через слой шлама до 5 D_с.

Получению высокоэффективной кумулятивной струи способствует то, что торпеда укомплектована медной облицовкой с углом раствора, лежащим в оптимальном диапазоне от 50 до 70^о, а также за счет того, что насадок 7 выполнен из материала с акустической жесткостью, значение которой не ниже значения акустической жесткости материала облицовки, например, для случая медной облицовки из стали, что исключает возможность образования множественного откола в зоне основания облицовки, и, соответственно, его отрицательное влияние на процесс формирования струи.

Выполнение облицовки с углом раствора от 50 до 70^о вместо используемых во всех известных торпедах облицовок с углами раствора от 30 до 40^о снижает высоту и соответственно массу разрывного заряда торпеды, уменьшая, тем самым, ее фугасное действие на стенки скважины в месте подрыва торпеды. Это снижает массу образовывающегося шлама.

Если дополнительно использовать детонационный распределитель, представленный на фиг. 2, то описанный выше процесс приобретет следующие положительные качества:
повышается скорость кумулятивной струи за счет того, что процесс ее формирования протекает в режиме сходящейся падающей на облицовку детонационной волны, создающей большее давление на поверхности облицовки по сравнению со скользящей сферической детонационной волной, режим которой реализуется в конструкции, представленной на фиг. 1;
распространяющаяся по пластическому ВВ детонационная волна, огибающая экран 10, сынициирует разрывной заряд в плоскости, перпендикулярной его оси, по кольцу с разновременностью, не превышающей 0,04 мкс, что практически исключает осевую асимметрию фронта детонационной волны при его переходе в разрывной заряд 2;
масса ВВ в торпеде дополнительно сократится (масса пластического ВВ в распределителе в 4-5 раз меньше массы ВВ во взрывном элементе, вместо которого применяется детонационный распределитель), что еще уменьшит фугасное действие кумулятивной торпеды (кассетной головки) на стенки скважины;
сократится высота кумулятивного заряда торпеды, в результате чего уменьшится масса спускаемой торпеды (кассетной головки).

В случае дополнительного применения внутренного кольцевого вкладыша 8, изготовленного из материала с высокой акустической жесткостью, например, молибдена, тантала, урана, сплавов вольфрама типа ВНЖ, ВНМ, ВНДС (см. фиг. 2), скорость обжатия облицовки в зоне ее основания повышается за счет того, что повышается интенсивность отраженной от корпуса ударной волны, которая передает этот дополнительный импульс облицовке в момент догона.

Таким образом применение предлагаемой конструкции кумулятивной торпеды осевого действия (кассетной головки) позволяет произвести разрушение застрявших в скважине неизвлекаемых металлических деталей бурового инструмента и образования за один спуск кумулятивной торпеды (кассетной головки) и без предварительной очистки скважины от слоя шлама толщиной до пяти диаметров скважины. Традиционная технология очистки скважин при помощи прострелочно-взрывных работ с использованием известных конструкций кумулятивных торпед осевого действия (кассетных головок) включает в себя очень трудоемкий и повторяемый после каждого очередного спуска торпеды (а число таких спусков может достигать трех-четырех) процесс проработки скважины, заключающийся в очистке ее от шлама (раздробленного металла и осыпавшейся породы) и шаблонировании. При применении предлагаемого изобретения число операций, связанных с аварийными работами внутри скважины, сократится до одного цикла: спуск кумулятивной торпеды (кассетной головки), очистки скважины от раздробленного металла и шлама и шаблонирование.

Формула изобретения

1. КУМУЛЯТИВНАЯ ТОРПЕДА ОСЕВОГО ДЕЙСТВИЯ, содержащая герметичный металлический корпус с размещенными в нем разрывным снарядом взрывчатого вещества с кумулятивной выемкой, с облицовкой, взрывателем, взрывным элементом, расположенным между взрывателем и разрывным зарядом, и обтекатель, размещенный в нижней части корпуса, отличающийся тем, что она снабжена металлическим насадком, установленным на основании облицовки кумулятивной выемки и выполненным в форме усеченного конического раструба, большим основанием опирающегося на основание облицовки, с образующей внутренней конической поверхности, составляющей с образующей внутренней поверхности облицовки угол 90-95^o, внутренним диаметром кольцевого основания, равным внутреннему диаметру основания облицовки, толщиной стенки, составляющей (0,06-0,09)d и высотой k·d·sin(α/2), где d диаметр разрывного заряда, мм, α угол раствора облицовки, k эмпирический коэффициент, равный 0,091 0,098.

2. Торпеда по п.1, отличающаяся тем, что насадок выполнен с переменной толщиной стенки, уменьшающейся при удалении от большего основания.

3. Торпеда по п.1, отличающаяся тем, что насадок выполнен из материала с акустической жесткостью, не меньшей акустической жесткости материала облицовки кумулятивной выемки.

4. Торпеда по п.1, отличающаяся тем, что облицовка кумулятивной выемки выполнена из меди с углом раствора 50-70^o.

5. Торпеда по п.1, отличающаяся тем, что корпус в зоне основания кумулятивной выемки выполнен с кольцевой расточкой на внутренней поверхности в которой размещен кольцевой вкладыш, выполненный из материала с высокой акустической жесткостью.

6. Торпеда по п.5, отличающаяся тем, что в качестве материала с высокой акустической жесткостью использованы или молибден, или тантал, или уран, или сплавы вольфрама типа ВНЖ, ВНДС.

7. Торпеда по пп.1 и 4, отличающаяся тем, что обтекатель выполнен высотой с возможностью обеспечения расстояния от его дна до основания облицовки кумулятивной выемки, равного 2-4 диаметрам разрывного заряда.

8. Торпеда по пп.1 и 4, отличающаяся тем, что разрывной элемент выполнен в виде детонационного распределителя, содержащего экран, выполненный из взрывонепроницаемого материала, корпус и размещенный между ними слой пластического взрывчатого вещества толщиной 1-6 мм с возможностью обеспечения инициирования разрывного заряда по кольцу шириной d d_э 2-10 мм, где d диаметр разрывного заряда в плоскости инициирования, перпендикулярной оси заряда, d_э диаметр экрана распределителя, при этом расстояние от плоскости инициирования, до вершины облицовки кумулятивной выемки выполнено в пределах (0,18 0,28) d для угла раствора облицовки, равного 50^o и (0,26 0,38) d для угла раствора, равного 70^o.

9. Торпеда по п.8, отличающаяся тем, что в качестве взрывонепроницаемого материала использован пенопласт.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2