DE19630338A1

DE19630338A1 - Geformte Ladung mit Wellenformlinse

Info

Publication number: DE19630338A1
Application number: DE19630338A
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: CN1145470A; CN1068674C; RU2160880C2; US5565644A; NO963008D0; CA2182408C; GB2303688B; NO963008L; CA2182408A1; GB9615707D0; NO314674B1; GB2303688A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf geformte Ladungen zum Erzeugen eines metallischen Strahles. Insbesondere be trifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte geformte Ladung, die einen linsenförmigen Wellenformer enthält, um eine Explosivwelle abzuwandeln, welche auf die Einlage in einer geformten Ladung trifft.

Geformte Ladungen werden in der Öl- und Gasindustrie und auf anderen Gebieten verwendet, um Metall, Beton, und andere feste Materialien zu durchdringen. In einem Öl- oder Gasbohr loch ist eine metallische Verrohrung an den Bohrlochwänden eingesetzt, um das Bohrloch unversehrt zu halten. Geformte Ladungen sind in einer Hohlträgerkanone oder einem Rohrstrei fen enthalten, die bzw. der in der Verrohrung angeordnet ist. Die geformten Ladungen werden aktiviert, um die Bohr lochverrohrung und die geologische Formation in Kohlenwasser stoffe liefernden Zonen zu durchbrechen. Die Kohlenwasser stoffe treten in die Verrohrung durch derartige Perforatio nen ein und werden zur Bohrlochoberfläche übertragen.

Herkömmliche geformte Ladungen sind mit einem Ladungsgehäu se, einer hohlen konischen Einlage in dem Gehäuse und einem hochexplosiven Material, das zwischen der Einlage und dem Gehäuse liegt, ausgestattet. Ein Zünder wird aktiviert, um das explosive Material dazu zu bringen, eine Detonationswel le zu erzeugen. Diese Welle läßt die Einlage zusammenfallen, und ein metallischer Strahl hoher Geschwindigkeit wird er zeugt. Der Strahl durchdringt die Bohrlochverrohrung und geologische Formation, und gleichzeitig wird sich langsam bewegendes Rohmetall gebildet. Die Strahleigenschaften hän gen von der Ladungsform, der freigesetzten Energie und der Masse sowie Zusammensetzung der Einlage ab.

Das Durchdringungsvermögen des Strahles wird durch die Strahlgeschwindigkeit und andere Faktoren bestimmt. Ein Fak tor, der die Strahlgeschwindigkeit beeinflußt, ist die Über tragung kinetischer Energie zwischen der Detonationswelle und der Einlage. Diese Übertragung hängt von der der Detona tionswelle vermittelten Energie, der Ausbreitung der Detona tionswelle als Funktion der Zeit und der Einlagenform ab.

Wellenformer wurden in geformte Ladungen aufgenommen, um einen Teil der Detonationswelle zu verzögern und die Ausbrei tung der Detonationswelle zurückzuleiten. Gewöhnliche Wellen former setzen insbesondere die Stelle einer eingeleiteten Detonationsfront in eine am Rand eingeleitete Detonation innerhalb der geformten Ladung um. Derartige Wellenformer sind insbesondere mit Holz, Teflon, Kunststoff oder anderen nichtmetallischen Materialien aufgebaut und leiten die Deto nationswellen zurück, indem teilweise der Transport der Deto nationswellen durch das nichtmetallische Material gesperrt wird.

Obwohl herkömmliche Wellenformer nützlich beim Formen der Detonationswelle aus einer rein divergenten Wellenfront sind, fokussieren derartige Wellenformer nicht wirkungsvoll die Energie der Detonationswelle in Berührung mit der geform ten Ladungseinlage. Demgemäß besteht ein Bedarf für eine ver besserte geformte Ladung, die wirkungsvoll die Detonations wellen fokussiert.

Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine geform te Ladung zu schaffen, die wirkungsvoll Detonationswellen zu fokussieren vermag.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine geformte Ladung vorgesehen, wie diese insbesondere in den Patentan sprüchen 1 und 9 beschrieben ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung schafft also eine geformte Ladung, die auf einen Zünder anspricht, um einen ein Material durch dringenden Strahl auszulösen. Ein explosives Material bzw. Explosivmaterial kann durch den Zünder ausgelöst werden, um eine divergierende Detonationswelle hervorzurufen. Eine ge formte Einlage mit einem Hohlraum ist nahe zu dem explosiven Material gelegen und kollabierbar, wenn es durch die Detona tionswelle getroffen wird, um den das Material durchdringen den Strahl zu bilden. Die Linse ist positioniert, um die divergierende Detonationswelle zu formen, bevor eine der artige Welle die Einlage berührt.

In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein Ge häuse um das explosive Material angeordnet werden. Das Ge häuse kann eine elliptische Innenwand in Berührung mit dem explosiven Material haben. Die Linse kann die divergierende Detonationswelle formen, um eine planare Welle oder eine kon vergierende Welle zu bilden, und der Brennpunkt der Linse kann gewählt werden, um die Detonationswelle auf einen be stimmten Punkt bezüglich der Einlage zu fokussieren.

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

Fig. 1 einen herkömmlichen Wellenformer in einer geformten Ladung und die durch eine Detonationswelle erzeugten Muster,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Linsen-Wellenformer,

Fig. 3 den Betrieb der erfindungsgemäßen geformten Ladung, wobei ein Beispiel einer durch eine Linse hervorgeru fenen Wellenform dargestellt ist, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Linse bezüglich des explosiven Materials und einer Einlage.

Die vorliegende Erfindung verbessert die Wirksamkeit einer geformten Ladung durch Fokussieren der durch ein explosives Material erzeugten divergenten Detonationswelle.

Fig. 1 veranschaulicht einen herkömmlichen Wellenformer 10, der in einem Gehäuse 12 gelegen ist. Explosives Material 14 ist in dem Gehäuse 12 angeordnet und wird anfänglich mit einer Einlage 16 zurückgehalten. Das explosive Material ist vorzugsweise um eine Achse in dem Gehäuse 12 vorgesehen, was die ebene Verteilung der Detonationswelle durch die Einlage fördert. Der herkömmliche Wellenformer 10 ist insbesondere mit Holz, Teflon, Kunststoff oder ähnlichem Material niedri ger Dichte aufgebaut.

Wenn das explosive Material 14 mit einem Zünder 18 aktiviert wird, so wird chemische Energie in kinetische Energie umge setzt. Der Wellenformer 10 sperrt teilweise die von dem Zün der 18 divergierende Detonationswelle und verzögert die Aus breitung der Detonationswelle durch den Wellenformer 10. Wenn der Raum zwischen dem Gehäuse 12 und den Enden des Wel lenformers 10 klein ist, breitet sich die Detonationswelle um den Wellenformer 10 aus und schafft periphere Initialpunk te 19 an jedem Ende des Wellenformers 10. Die durch die peri pheren Initialpunkte 19 erzeugten Wellenfronten bewegen sich längs der Innenwand des Gehäuses 12 und divergieren nach innen zu der Einlage 16. Auf diese Weise wird die Ausbrei tung der Detonationswellen durch die Innenwand des Gehäuses 12 geleitet, und die Leistung bzw. Energie der Detonations wellen wird entsprechend konzentriert. Es ist zu ersehen, daß eine Interferenz zwischen den Detonationswellen in dem Gehäuse 12 eine ungleichmäßige Verteilung derartiger Wellen über der Einlage 16 hervorruft, und daß die Detonationswel len weiter divergieren, da solche Wellen aus dem Gehäuse 12 austreten.

Die Einlage 16 kann mit einer Vielzahl von Materialien und geometrischen Formen aufgebaut sein. Einlagenmaterialien um fassen Kupfer, Aluminium, abgereichertes Uran, Wolfram, Tan tal und andere Materialien. Repräsentative Beispiele von Ein lagenformen umfassen Halbkugeln, Paraboloide, Ellipsoide, Birnenformen und Trompetenformen. Ein Gehäuse ist nicht wesentlich für das Betriebsverhalten geformter Ladungen, und eine geformte Ladung kann aus der einfachen Kombination eines ausgehöhlten hochexplosiven Materials und einer Ein lage zum Auskleiden des explosiven Hohlraumes gebildet wer den.

Der durch die Detonationswelle hervorgerufene Kollaps der Einlage 10 schafft einen metallischen Strahl und ein Roh metall, die im wesentlichen parallel zu der Achse des explo siven Materials 14 verlaufen. In einem Öl- oder Gasbohrloch läuft der Strahl typischerweise durch einen Öffnungsstöpsel und Bohrschlamm, bevor der Strahl auf die (nicht gezeigte) Bohrlochverrohrung trifft. Der metallische Strahl läuft mit hohen Geschwindigkeiten bis zu 10.000 m/s und schafft eine große Druckdifferenz zum Durchdringen des Zieles. Gewöhn liche Wellenformer, wie beispielsweise der Wellenformer 10 ändern gering den Aufprallwinkel der Detonationswelle, die auf die Einlage 16 einwirkt, und führen zu einer relativ schwachen Zunahme in der Gasstrahlgeschwindigkeit.

Dagegen ändert die Erfindung beträchtlich die Detonationswel le. Fig. 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung, bei welchem ein Gehäuse 20 explosives Material 14, eine Einlage 22 und einen Wellenformer 24 hält. Das Gehäuse 20 ist mit einer elliptischen Innenwand 26 gezeigt, die im wesentlichen symmetrisch um eine Längsachse 28 ist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Innenwand 26 als ein Rotationsellipsoid um die Längsachse 28 geformt und weist keine Vertiefungen oder Vorsprünge in der Innenwand 26 auf.

Ein Zünder 18 ist am geschlossenen Ende des Gehäuses 20 gele gen, und die Einlage 22 greift vorzugsweise an die Innenwand 26 mit einer Befestigungsvorrichtung, wie beispielsweise einem Ring 30, an. Ein Teil der geformten Ladungseinlage 22 ist auf einen Punkt 31 auf der Längsachse 28 fokussiert. Die sich ergebende Konvergenz vermittelt eine merklich größere Geschwindigkeit für den implodierten Teil der Einlage 22. In verschiedenen Versuchen wurden im Betriebsverhalten Steige rungen von 15% für eine höhere Strahlgeschwindigkeit reali siert.

Der Wellenformer 24 ist als eine Linse gestaltet, die eine im wesentlichen flache Oberfläche 32 und eine konvexe Ober fläche 34 hat. In verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Wellenformer 24 als eine plan-konvexe oder eine konvex-konvexe Linse geformt sein, um ausreichend Konvergenz der Detonationswelle hervorzurufen. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Wellenformer 24 die divergente Detonationswelle in eine planare Wellenform oder eine andere Gestalt formen. Der Wellenformer 24 ist vor zugsweise mit einem Material niedriger Schallgeschwindigkeit gebildet, wie beispielsweise Blei oder abgereichertem Uran. Diese Materialien haben Schallgeschwindigkeiten, die ange nähert ein Viertel der typischen Detonationsgeschwindigkeit für herkömmliches hochexplosives Material betragen, was einen hohen Wert des Brechungsindex für den Betrieb des lin senförmigen Wellenformers 24 hervorruft.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, arbeitet der Wellenformer 24, um die Detonationswelle, die auf der Detonation des explosiven Materials 14 beruht, zu fokussieren. Der Wellenformer 24 fokussiert eine derartige Detonationswelle und setzt die sphärisch divergente Welle in die dargestellte Wellenform oder eine gewünschte Wellenform, wie beispielsweise eine sphärisch konvergente Welle oder eine planare Wellenform, um. Auf diese Weise kann der Wellenformer 24 die Detonations welle so gestalten, daß im wesentlichen die gesamte Ober fläche der Einlage 22 zur gleichen Zeit getroffen wird. Die ser Effekt steigert die Strahlgeschwindigkeit insgesamt durch Erhöhen der Energie, die zwischen der Detonationswelle und der Einlage 22 gekoppelt ist. Anstelle des Zurückrich tens der Detonationswellen, wie dieses durch den Wellenfor mer 10 in Fig. 1 vorgenommen wird, fokussiert die vorliegen de Erfindung erneut die Detonationswellen auf einen spezifi schen Brennpunkt.

Die durch die vorliegende Erfindung durchgeführte Wellenform funktion kann durch das Snell-Gesetz der Optik beschrieben werden, das die Linsengeometrie, die Linsenbrennweite, den Objektabstand, den Bildabstand und den Linsen-Brechungsindex in Beziehung setzt. Wenn das Stoßwellen-Betriebsverhalten modellmäßig nach den Regeln der Optik gestaltet wird, so ist der "Linsen-Brechungsindex" definiert als das Verhältnis der Detonationsgeschwindigkeit und der Material-Stoß-(Schall-) Geschwindigkeit. Wenn ein Material mit niedriger Schallge schwindigkeit, wie beispielsweise Blei oder abgereichertes Uran, für den Wellenformer 24 verwendet wird, so wird der Brechungsindex bei einem hohen Pegel (durch Reduzieren des Nenners des Linsen-Brechungsindex) gehalten, und die Dicke des Wellenformers 24 kann entsprechend minimiert werden. Da die Abmessung des Wellenformers 24 minimiert ist, wird weniger explosives Material 14 durch inertes Material er setzt.

Fig. 4 veranschaulicht graphisch den Betrieb des Wellenfor mers 24, um konvergent die Detonationswelle zu formen. Die "Linsenmacher"-Gleichung ist wohlbekannt und wird ausge drückt durch

1/u + 1/v = 1f
(µ - 1) (1/r₁ + 1/r₂) = 1/f
und
µ = v_D/v_s

mit
u = Abstand zwischen Linse und Initialpunkt
v = Abstand zwischen Linse und implodierten Ein lagen- Konvergenzpunkt
f = Linsen-Brennweite
r₁ = Radius der Linsenrückfläche (unendlich, wenn die Rückfläche flach ist)
r₂ = Radius der Linsenvorderfläche
µ = Linsen-Brechungsindex
v_D = Detonationsgeschwindigkeit des explosiven Materials
v_s = Stoßgeschwindigkeit des Materials bei Detonationsdruck.

Aus den bekannten Abmessungen von Brechungsindex µ, Linsen abstand von Einlagen-Krümmungsmitte (oder v) und dem Linsen abstand von dem Initialpunkt (oder u) kann der Linsenradius (r₂) für eine plan-konvexe Linse bestimmt werden. Der Durch messer der Linse ist gleich zu der Gehäuseöffnung bei der Linsenaufstellung, abzüglich ausreichend freiem Abstand, um einen kritischen Durchmesser des explosiven Materials 14 auf allen Seiten des Wellenformers 14 beizubehalten.

Die vorliegende Erfindung schafft verschiedene bedeutsame Vorteile gegenüber herkömmlichen Wellenformern. Die Geschwin digkeit des Strahles ist gesteigert, der Rohmetallrest ist vermindert, und ein größeres Loch mit tieferer Durchdringung kann mit geformten Ladungen, die die vorliegende Erfindung verwenden, erhalten werden.

Claims

1. Geformte Ladung, die auf einen Zünder (18) anspricht, um einen materialdurchdringenden Strahl zu erzeugen, mit:
einem explosiven Material (14), das um eine Achse (28) gebildet und durch den Zünder (18) aktivierbar ist, um eine divergierende Detonationswelle hervorzurufen,
einer geformten Einlage (22) nahe zu dem explosiven Material (14), wobei die Einlage (22) einen Hohlraum definiert und wobei die Einlage (22) um den Hohlraum beim Auftreffen durch die Detonationswelle kollabierbar ist, um den materialdurchdringenden Strahl zu bilden, und
einer Linse (24) nahe zu dem explosiven Material (14), um die divergierende Detonationswelle zu formen, bevor die Detonationswelle die Einlage (22) berührt, wobei die Linse (24) ein Material niedriger Schall geschwindigkeit mit einem hohen Brechungsindex umfaßt.

2. Geformte Ladung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (20) zum anfänglichen Aufnehmen des explosi ven Materials (14).

3. Geformte Ladung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Gehäuses (20) in Berührung mit dem explosiven Material (14) gekrümmt ist, um eine im wesentlichen ungebrochene Oberfläche zu liefern, die symmetrisch um die Achse (28) des explosiven Materials (14) ist.

4. Geformte Ladung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Gehäuses (20) im wesentlichen als ein Ellipsoid gestaltet ist.

5. Geformte Ladung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (22) eine gekrümmte Innenfläche in Berüh rung mit dem Hohlraum hat, die im wesentlichen symme trisch um eine Längsachse ist, die sich durch die Ein lage (22) erstreckt.

6. Geformte Ladung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (24) eine im wesentlichen flache Ober fläche nahe zu dem Zünder (18) hat und daß die Linse (24) weiterhin eine konvexe Oberfläche gegenüber zu der flachen Oberfläche aufweist.

7. Geformte Ladung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine konvexe Oberfläche der Linse (24) eine Krümmung hat, die eine Detonationswelle mit einer Krümmung lie fert, die im wesentlichen gleich zu der gekrümmten Innen fläche der Einlage (22) ist.

8. Geformte Ladung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (24) gestaltet ist, um die divergierende Detonationswelle in eine planare Welle zu formen, bevor die Detonationswelle die Einlage (22) berührt.

9. Geformte Ladung, die auf einen Zünder (18) anspricht, um einen materialdurchdringenden Strahl hervorzurufen, mit:
einem Gehäuse (20) mit einer Innenwandfläche,
einem explosiven Material (14), das um eine Achse in dem Gehäuse (20) gebildet und durch den Zünder (18) akti vierbar ist, um eine divergierende Detonationswelle her vorzurufen,
einer geformten Einlage (22) nahe zu dem explosiven Material (14), wobei die Einlage (22) einen Hohlraum bil det und wobei die Einlage bei Aufprall durch die Detona tionswelle kollabierbar ist, um den materialdurchdringen den Strahl zu erzeugen, und
einer Wellenformerlinse (24), die in dem explosiven Material (14) gelegen ist, um die divergierende Detona tionswelle in eine konvergierende Detonationswelle zu formen, bevor die Detonationswelle die Einlage (22) be rührt, wobei die Linse ein Material mit niedriger Schall geschwindigkeit mit einem hohen Wert des Brechungsindex umfaßt.

10. Geformte Ladung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (22) eine elliptische Gestalt hat, die symmetrisch um die Achse des explosiven Materials (14) ist, und daß die Einlage (22) einen Scheitel oder eine Spitze aufweist.

11. Geformte Ladung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenformerlinse (24) die divergierende Detona tionswelle im wesentlichen entsprechend der Gestalt der elliptischen Einlage (22) formt, wenn die Detonationswel le die Einlage (22) berührt.

12. Geformte Ladung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenformerlinse (24) die Detonationswelle zu einem Brennpunkt auf der Mitte der Einlage (22) konver giert.

13. Geformte Ladung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandfläche des Gehäuses (20) elliptisch um die Achse des explosiven Materials (14) ist.