一种新型爆轰自调节射孔弹
技术领域
本发明涉及石油勘探开发技术领域，尤其涉及一种新型爆轰自调节射孔弹。
背景技术
射孔技术是完井工程的重要组成部分，它是利用高能炸药爆炸形成射流穿透油气井套管、水泥环和部分地层，建立油气层和井筒之间油气流通道。孔深是射孔中影响油气井产能的一个重要参数。
通常，如图1所示，射孔弹由炸药、药型罩和壳体三部分组成。其中，外壳直接影响着爆炸作用场，壳体的内腔尺寸和药型罩的外形尺寸共同形成了高能炸药的最终形状。现有射孔弹在设计时壳体内腔为折线结构或圆弧过渡结构，炸药由传爆孔引爆后，以引爆点为圆心，以球面的形式高速传播到整个炸药层如图2所示，一部分炸药能量用于压垮药型罩形成射流，另一部分炸药能量向四周飞散，其爆炸能量没有对射流的形成起到积极作用，而是消耗在破坏壳体、膨胀枪身和损坏套管上，聚能射孔弹炸药能量的有效利用率大约在20%~40%之间。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明提供了一种新型爆轰自调节射孔弹，以克服现有射孔弹爆轰过程中能量利用率低、能量供给连续性较差、损失过多等缺陷。
（二）技术方案
为解决上述问题，本发明提供一种新型爆轰自调节射孔弹，包括壳体、主装炸药、药型罩；
壳体的外形由上部圆台段和下部圆柱段组成；
壳体内腔和药型罩外形之间的腔室形成主装炸药的内部形状；
所述壳体内腔由圆柱形传爆孔、第一圆台腔，第二圆台腔和圆柱形腔四段依次相接形成；
所述第一圆台腔的纵截面为梯形，其中梯形的开口角度α的角度范围为30º~90º；
所述第二圆台腔的顶端部的两侧分别具有朝向圆柱形传爆孔的突起，且两个突起位于第一圆台腔的两侧。
优选地，所述突起高度h为5mm~15mm。
优选地，所述突起的顶端弧度为圆弧形或波浪形。
优选地，所述壳体的材质为碳钢或合金钢。
优选地，主装炸药为常温炸药RDX、高温炸药HMX、超高温炸药PYX或HNS。
（三）有益效果
本发明提供的新型爆轰自调节射孔弹，增加了射流能量供给的连续性，保证了射流整个过程有更高的头部速度和更高的总能量；高能利用率射孔弹最大头部速度比原设计高5%～15%；药型罩最大动能提高10%～40%；射流断裂时间比原来延迟10%~50%，提高了炸药的利用率，增加了射孔弹的穿孔能力。
附图说明
图1为传统射孔弹剖面示意图；
图2为传统射孔弹爆轰波形图；
图3为本发明实施例中射孔弹剖面示意图；
图4为本发明实施例中射孔弹爆轰波形图；
图5为传统射孔弹射流形态图；
图6为案例射孔弹射流形态图；
图7为传统射孔弹数值模拟计算下药型罩能量分布图；
图8为案例射孔弹数值模拟计算下药型罩能量分布图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。
如图3所示，本发明提供一种新型爆轰自调节射孔弹，包括壳体1、主装炸药2、药型罩3；
壳体的外形由上部圆台段和下部圆柱段组成；
壳体1内腔和药型罩3外形之间的腔室形成主装炸药的内部形状；
所述壳体1内腔由圆柱形传爆孔、第一圆台腔，第二圆台腔和圆柱形腔四段依次相接形成；
所述第一圆台腔的纵截面为梯形，其中梯形的开口角度α的角度范围为30º~90º；
所述第二圆台腔的顶端部的两侧分别具有朝向圆柱形传爆孔的突起，且两个突起位于第一圆台腔的两侧，所述突起高度h为5mm~15mm。
所述突起的顶端弧度为圆弧形、波浪形或者为其他形状。
所述壳体1的材质为碳钢或合金钢。
主装炸药为常温炸药RDX、高温炸药HMX、超高温炸药PYX或HNS。
当炸药被引爆后，整个爆轰是一个多物质相互作用的过程，涉及到炸药间快速传爆、压垮药型罩和形成延伸射流。炸药被装填和压实在射孔弹壳体和药型罩之间，其形状由壳体内腔和药型罩外形共同决定，从图3示意图中可以看出，本发明壳体内腔上部增加了炸药传爆引导结构设计，限制了爆轰产物侧向膨胀，有效的延长爆炸载荷作用于药型罩表面的时间，在轴向上使更多的能量用到延伸射流上。实现了同等药量下炸药能量的有序释放，提高了能量的利用率。
图4中第一圆台腔a部分截面形状为梯形，可以起到爆轰能量传播逐步放大的效果，其中根据装填炸药类型如常温炸药RDX（黑索金）、高温炸药HMX（黑索金）、超高温炸药PYX或HNS和其它一些新型高能炸药爆速和爆压参数的不同放大角度α取值范围从30º~90º，根据药型罩配方和角度的变化不同引导结构高度h的取值从5mm~15mm，两侧结构可以是圆弧或其它形状，同时壳体的材质可以是普通的碳钢、高强度的合金钢和其它综合性能更优的复合材料。
如图3所示，控制药柱顶部的横向传播面积如图4所示中a范围内炸药，减少炸药能量在爆轰初期引爆后不受控，防止过多的能量用在破坏壳体、膨胀枪身和损坏套管等不利作用上。待药型罩开始被压垮形成射流时，爆轰波引爆顶部两侧炸药如图4所示中b和c范围内炸药，使得整个装药的总能量在轴向上以梯度的方式有序地提供给药型罩压垮形成射流，推动射流的连续延伸，提高了炸药的利用率，提高了射流有效动能，在与传统射孔弹结构同等装药量的条件下增加了射孔弹的穿孔能力。
下面对现有某102型射孔弹穿孔性能与本发明高能利用率射孔弹进行详细对比。
对比案例1
从图5和图6两种射流形态图的对比中可以看出，本发明射孔弹延迟了射流从出现颈缩到断裂的时间，减少了杵体质量，增加了头部射流的有效质量，提高了射流的穿透性能。射流连续性明显优于传统射孔弹射流。
其中，
公式中：H为射流的破甲深度，m；
从射流破甲深度计算公式中可以看出，随着射流断裂前持续时间的增加可以提高射流穿透性能。同时由于炸药传爆引导结构的设计，在轴向上使更多的能量用到延伸射流上，爆轰过程中每个时间段的射流头部速度
对比案例2
聚能装药由于能量的高度集中具有较强的对靶体的穿透能力，所以金属射流的总能量也是评价射孔弹穿深性能的一个重要因素。从图7和图8的对比中可以看出本发明射孔弹药型罩的总能量明显高于传统射孔弹药型罩的总能量，提高在27%左右。
对比案例3
对传统射孔弹和新型爆轰自调节射孔弹进行混凝土靶打靶对比试验如表1所示，试验结果显示新型射孔弹平均穿深提高14.5%，且新型射孔弹稳定性明显优于传统射孔弹。
表1地面混凝土靶试验数据对比
本发明实施例应用于油气田开发领域中射孔弹射穿套管、水泥环和地层建立油气流通道。通过改变高能炸药被引爆后初期的传爆途径，减少了壳体内腔上部两侧炸药过早过多引爆对壳体破坏的冲击，增加了壳体对炸药的束缚时间，延长了炸药对药型罩的作用时间，使得更多的爆轰能量转化为药型罩的动能，通过自有结构干涉使得两侧部分炸药延迟引爆，前期中间部分的炸药已做功前移，这部分炸药的爆轰能量有空间作用到前进中的药型罩压垮功效上，增加了射流能量供给的连续性，保证了射流整个过程有更高的头部速度和更高的总能量；高能利用率射孔弹最大头部速度比原设计提高5%～15%；药型罩最大动能提高10%～40%；射流断裂时间比原来延迟10%~50%，提高了炸药的利用率，增加了射孔弹的穿孔能力。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
