Badania ładunków kumulacyjnych z wkładkami proszkowymi do perforacji odwiertów geologicznych

Oceny: / 1
KiepskiBardzo dobry 

Badania ładunków kumulacyjnych z wkładkami proszkowymi do perforacji odwiertów geologicznych Autorzy: B. Zygmunt, Z. Wilk  Górnictwo nafty i gazu jest jedną z dziedzin gospodarki, w której ukierunkowana energia detonacji materiału wybuchowego (MW) jest wykorzystywana powszechnie w celu wykonania użytecznej pracy. Wkrótce po II wojnie światowej, doświadczenia uzyskane w konstrukcji przeciwpancernych ładunków kumulacyjnych (ŁK) zostały wykorzystane w USA do perforacji odwiertów naftowych. Opracowano i wypróbowano różnego rodzaju systemy perforacji oraz inne środki strzałowe z ładunkami kumulacyjnymi służącymi m. in., do obcinania rur okładzinowych, wykonywania szczelin wzdłużnych lub do usuwania twardych przeszkód w czasie wiercenia otworów. Perforacja kumulacyjna polega na utworzeniu kanałów perforacyjnych za pomocą strumieni kumulacyjnych wytworzonych przez odpowiednio rozmieszczone wewnątrz rur okładzinowych odwiertu małogabarytowe ładunki kumulacyjne (rys. 1). Technika perforacji kumulacyjnej jest obecnie powszechnie stosowaną metodą uzyskiwania połączenia pomiędzy złożem i otworem geologicznym. Zjawisko kumulacji wybuchowej polega na ukierunkowaniu energii produktów detonacji generowanych przez ładunek materiału wybuchowego posiadający symetryczne wydrążenie zamknięte warstwą metalu, zwykle miedzi lub żelaza (rys. 2). Koncentracja energii produktów detonacji ma miejsce w osi wydrążenia, gdzie w trakcie detonacji ładunku kumulacyjnego następuje dynamiczne zgniecenie metalowej wkładki. W wyniku zderzenia elementów wkładki następuje uformowanie strumienia kumulacyjnego o prędkości 6-8 km/s, który w zderzeniu z przeszkodą wywołuje silny efekt erozji ośrodka i wydrążenie głębokiego otworu. Strumień kumulacyjny stanowi mniejszą część masy wkładki, pozostała część wkładki tworzy zbitkę, która poruszając się z mniejszą prędkością w ślad za strumieniem kumulacyjnym nie wpływa na głębokość przebicia. Z praktycznego punktu widzenia zbitka stanowi bezużyteczny balast i często wpływa szkodliwie na efekt kumulacyjny, np. czopując otwór wydrążony przez strumień kumulacyjny. Wymagania, które powinny spełniać ŁK do perforacji orurowań odwiertu geologicznego są radykalnie odmienne od wymagań stawianych ŁK stosowanym w technice wojskowej, ze względu na radykalnie odmienne warunki zewnętrzne ich stosowania Odwiert zwykle wypełniony jest cieczą (płuczką) o gęstości powyżej 1 g/cm3. Na głębokości kilku tysięcy metrów ciśnienie wynosi kilkadziesiąt MPa, temperatura znacznie przekraczać może 100°C. Średnica wewnętrzna rur okładzinowych odwiertu geologicznego lub rurek wydobywczych z reguły ogranicza wymiary gabarytowe ładunku (średnica i wysokość) do kilkudziesięciu milimetrów. Mając na uwadze ochronę konstrukcji otworu wiertniczego, dodatkowym ograniczeniem zwiększenia zdolności przebicia przeszkody przez strumień kumulacyjny jest konieczność zminimalizowania masy MW w ładunku. Szczególnie istotnym i specyfi cznym dla perforacji odwiertów wymaganiem jest warunek, aby tworząca się zbitka kumulacyjna nie czopowała utworzonego przez strumień kumulacyjny kanału perforacyjnego, co było powszechną wadą dotychczas stosowanych ŁK. W niniejszej pracy przedstawiono propozycje konstrukcji oraz właściwości ŁK do efektywnej perforacji z nowym rodzajem wkładek kumulacyjnych wykonanych technologią metalurgii proszków. Dla wybranej do badań konstrukcji ładunku wykonano proszkowe wkładki kumulacyjne jednakowego kształtu (rys. 3) o średnicy podstawy 33,3 mm i kącie wierzchołkowym 45°, różniące się rodzajem materiału, masą, gęstością oraz grubością ścianek. Wkładki kumulacyjne zastosowane w konstrukcji ŁK badanych w niniejszej pracy wykonano metodą prasowania matrycowego z proszków miedzi elektrolitycznej (ECu) oraz z mieszaniny proszku miedzi i proszku metalu o wysokiej gęstości np. wolframu (Ecu/W). W zależności od założonych wymagań, otrzymane wkładki kumulacyjne podlegały dalszym operacjom np. spiekaniu oraz obróbce termicznej i mechanicznej. Jako wzorzec odniesienia do badania właściwości ŁK z nowymi wkładkami służyła tradycyjna wkładka wytłoczona z litej miedzi, powodująca omówiony we wstępie niekorzystny efekt czopowania otworów. 135 Drugi rodzaj badanych wkładek wykonano z proszku miedzi, a trzeci z równowagowej mieszaniny proszku miedzi i wolframu. Duży udział proszku wolframu spowodował wzrost gęstości wkładki o prawie połowę, w porównaniu z gęstością wkładki wykonanej z proszku miedzi. Zaproponowano również wkładkę o budowie warstwowej charakteryzującej się znaczną różnicą gęstości obu warstw – wewnętrznej (z proszku ECu/W) i zewnętrznej (z proszku ECu). Dla każdego z rodzajów badanych wkładek proszkowych przeprowadzono badania optymalizacyjne dotyczące ich masy, którą zmieniano regulując grubość ścianki wkładki. Jako kryterium optymalizacji przyjęto maksymalizację podstawowego parametru ŁK jakim była wartość przebicia stalowej przegrody. W tablicy 1 zamieszczono podstawowe dane charakteryzujące zastosowane w badanych ŁK proszkowe wkładki kumulacyjne w porównaniu z właściwościami wkładki wykonanej z litej miedzi. Wkładki spiekane z proszków charakteryzowały się większą masą oraz grubszą ścianką w porównaniu z wkładką wykonaną z litej miedzi. Do badania właściwości strumieni kumulacyjnych wytwarzanych w procesie detonacji ładunków z różnymi wkładkami zastosowano sprawdzony w praktyce układ kumulacyjny (rys. 4). Materiałem wybuchowym (MW) zastosowanym do elaboracji ŁK był opracowany przez autorów niniejszej pracy heksofl en (heksogen drobnokrystaliczny fl egmatyzowany tworzywem fl uoropolimerowym). Ładunki prasowano w temperaturze otoczenia pod ciśnieniem 250 MPa. Gęstość zaprasowanego MW w ładunku wynosiła 1,74 g/cm3. Strumienie kumulacyjne wytwarzane przez ŁK z różnymi rodzajami wkładek badano za pomocą diagnostyki rentgenografi i impulsowej. Dzięki krótkiemu czasowi ekspozycji, rzędu 10–8 sekundy, technika ta umożliwia fotografowanie procesu formowania i lotu strumienia kumulacyjnego poruszającego się z prędkością rzędu 105 m/s. Najwyższą prędkość czoła strumienia kumulacyjnego (7500 m/s) zaobserwowano dla ładunku z wkładką wykonaną z litej miedzi (rys. 5). Wkładki z proszku miedzi generują strumienie kumulacyjne poruszające się z prędkością o 300 m/s mniejszą (rys. 6). Strumień kumulacyjny z wkładki proszkowej o zwiększonej gęstości (Cu/W), porusza się z prędkością poniżej 7000 m/s (rys. 7), jednak z uwagi na wysoką gęstość strumienia, zdolność przebijania metalowej przeszkody jest najwyższa. Zdjęcia rentgenowskie strumieni kumulacyjnych wytworzonych z wkładek proszkowych ujawniają typową jak dla strumieni pochodzących z wkładek litych zdolność do zwiększania swojej długości przy zachowaniu ciągłości strumienia (rys. 6 i 7). Wkładka wykonana z mieszaniny proszku miedzi i wolframu, metali różniących się znacznie gęstością, wytwarza regularny strumień kumulacyjny o wysokiej zdolności przebijania przegrody, większej niż dla wkładki miedzianej, pomimo niższej prędkości czoła strumienia. Wytworzony z wkładki proszkowej strumień kumulacyjny zachowuje dyskretną strukturę wyjściowego materiału, co jest szczególnie wyraźne w powiększeniu (zdjęcie dolne na rys. 7). Strukturę taką posiada również zbitka, co powoduje jej niską wytrzymałość mechaniczną, korzystną do zastosowania w perforacji odwiertów geologicznych. Wykonano również komputerową symulację procesu formowania strumienia kumulacyjnego dla obu rodzajów zastosowanych wkładek kumulacyjnych – z litej miedzi oraz z proszku miedzi przy uwzględnieniu porowatości wkładki wykonanej z proszku (rys. 8). Symulacje komputerowe zjawiska kumulacji wykazały dobrą zgodność wyników z danymi eksperymentalnymi. Wyprodukowane według nowej technologii wkładki proszkowe charakteryzują się korzystnymi właściwościami użytkowymi w porównaniu z wkładkami z litej miedzi wytworzonymi technologią obróbki plastycznej.

 

« poprzedni artykuł