含能射孔弹双层药型罩穿孔性能研究.pdf
第4 6 卷第2 期 爆破器材 V 0 1 .4 6N o .2 2 0 1 7 年4 月E x p l o s i v eM a t e r i a l s A p r 2 0 1 7 d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .1 0 0 1 - 8 3 5 2 .2 0 1 7 .0 2 .0 0 7 含能射孔弹双层药型罩穿孔性能研究举 潘文强付代轩赖康华刘玉龙赵世华 四川石油射孔器材有限责任公司 四川隆昌,6 4 2 1 5 0 [ 摘要]含能射孔弹药型罩主要采用含能材料压制的单金属药型罩,该弹穿深性能低。而双层含能射孑L 弹内层 采用高钨配方,外层采用含能材料,既提高了穿深性能,又清洁了孔道。本文中,设计了一种新结构的压罩模具,成 功压制了双层药型罩,打靶结果为双层药型罩射孑L 弹的穿深为6 9 5m m ,单金属药型罩为4 0 0m m ,双层药型罩的穿 深比单金属药型罩提高7 3 .8 %,表明与单金属含能射孑L 弹相比,双层含能射孔弹有明显的优势。 [ 关键词]含能射孔弹;双层药型罩;穿深 [ 分类号] T J 4 1 0 .3 3 3 ;T E 2 5 7 .1 S t u d yo nP e n e t r a t i o nP e r f o r m a n c eo fB i - l a y e rL i n e r i nE n e r g e t i cP e n e t r a t i n gC h a r g e P A NW e n q i a n g ,F UD a i x u a n ,L A IK a n g h u a ,L I UY u l o n g ,Z H A OS h i h u a S i c h u a nP e t r o l e u mP e r f o r a t i n gM a t e r i a l sC o .,L t d . S i e h u a nL o n g c h a n g ,6 4 2 1 5 0 [ A B S T R A C T ] M e t a ll i n e r o fe n e r g e t i cp e n e t r a t i n gc h a r g e ,w h i c hh a sas i n g l el a y e r ,i su s u a l l ym a d eo fe n e r g e t i cm a t e - r i a l s .I t sp e n e t r a t i o nd e p t hi sl o w .W h i l et h eb i l a y e re n e r g e t i cp e n e t r a t i n gc h a r g ew i t he n e r g e t i cm a t e r i a l so u t s i d ea n dh i g h q u a l i t yt u n g s t e ni n s i d en o to n l yi n c r e a s e st h ed e p t h ,b u ta l s oh a sas e l f - c l e a n i n gf u n c t i o n .As h a p e dc h a r g el i n e rm o l dw i t h an e ws t r u c t u r ew a sd e s i g n e d ,w h i c hs u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db i l a y e rs e l f - c l e a n i n gs h a p e dc h a r g el i n e r .C o n c r e t et a r g e tt e s t s h o w st h a tt h eb i l a y e rs e l f - c l e a n i n gp e r f o r a t i n gc h a r g eh a sa6 9 5m m p e n e t r a t i o nd e p t h .i n c r e a s e db y7 3 .8 %c o m p a r e dw i t h t h es i n g l el a y e rs e l f - c l e a n i n gs h a p e dc h a r g eh a v i n ga4 0 0n l mp e r f o r a t i n gd e p t h .T h e s er e s u h si n d i c a t et h a tt h eb i - l a y e rs e l f - c l e a n i n gs h a p e dc h a r g eh a sag r e a t e ra d v a n t a g ei np e r f o r a t i n gd e p t h . [ K E Y W O R D S ]e n e r g e t i cp e n e t r a t i n gc h a r g e ;b i l a y e rl i n e r ;p e n e t r a t i o nd e p t h 引言 射孔弹主要由弹壳、炸药、药型罩3 部分组成. 炸药是能量驱动的来源,药型罩则是射流形成的核 一1 5 、 部件。药型罩一般由钨铜粉末直接压制而成.国 内射孔弹主要采用单金属药型罩.结构简单。功能单 一。随着射孔技术的发展,压裂技术的广泛应用,对 射f L 孑L 道的孔径和深度都有新的要求,研究显示,双 层药型罩在扩大孔径和提升穿孔深度方面有一定的 优势[ 卜引。 单金属药型罩射孔弹只能实现单一的功能,用 深穿透材料制备的药型罩射孔弹,射孔穿深好.但孑L 道周围有一层压实致密层,对油气井的产出不利;用 含能材料制备的单金属药型罩射孔弹则射孔穿深 低,同样不利于油气井的产出。双层药型罩则可以 结合两者的优势。内层用深穿透材料,外层用自清洁 材料,可实现穿深好且清洁的孔道。美国的H a n e y 等_ 4 ] 发明了外层为聚合物、内层为高密度金属的双 层药型罩射孔弹,炸药爆炸后将内层金属形成射流 后,在地层中形成孑L 道;同时,外层聚合物也沿轴线 方向进入孑L 道。并且反应生成大量的高压气体,再次 冲击孔道,或者形成酸性气体与岩层反应.扩大并清 洁孔道。美国G E OD y n a m i c s 公司与壳牌集团、 Q i n e t i Q 公司于2 0 0 7 年联合推出了自清洁聚能射孔 技术C o n n e x 射孔弹[ 5 ] ,应用C o n n e x 射孔技术 可增产3 0 %以上;孔道几何形状得到优化.孑L 道的 深度、表面积和流动体积均大幅增加可在正压或负 { I } 收稿日期2 0 1 6 - 0 7 .1 3 作者简介潘文强 1 9 8 7 一 ,男,硕士研究生.研究方向为射孔弹、射孔枪的制造。E - m a i l 6 5 1 1 6 5 8 2 6 q q .C O l l ] 通信作者刘玉龙 1 9 8 1 一 ,男,工程师.主要从事石油开采用射孔器材、传爆、起炸装置、油气井解卡等爆破器材研发。E - m a i l 2 5 0 0 5 8 7 5 3 q q .c o n l 万方数据 爆破器材 第4 6 卷第2 期 压条件下作业,即便在弱胶结或各向异性地层,也无 需很高的压差就能产生清洁的孔道无需高成本的 孑L 道清洗作业,如酸处理、盐水冲洗、水力压裂等。 因此,双层含能射孔弹有较大的应用潜力。 日前,国内没有关于双层药型罩生产应用的报 道.主要是双层药型罩的制备很困难,还没有解决双 层药型罩成型的问题。本文中.对一种新型的含能 材料A 、高钨配方B 制备的双层药型罩射孔弹进行 了研究.探讨了其制备成型的方法,并对其射流的形 成过程和机理进行了分析。 含能射孔弹双层药型罩制备 1 .1 模具设计 试验设计依据T a m e r 等[ 6 剐的研究结果表明, 双层药型罩形成射流的部分为与内表面有一定角度 的一层药型罩,其余的形成杵体,射孔弹对靶材的侵 彻起作用的部分是射流部分。因此,采用外层为含 能材料A 形成杵体,杵体虽然不能提供穿深,但在 孔道内部通过化学反应形成高温高压的气体,起到 清洁与扩孔的功效;内层为高钨配方B 粉末,形成 射流,这样在保证穿深性能的情况下,同时提供孑L 道 清洁及扩孑L 功能,如图1 所示。射孔弹整体结构如 图2 所示。 图1T a m e r 射流与杵体分布的模拟结果 F i g .1 S i m u l a t i o no fT a m e rj e tp o r t i o na n ds l u gd i s t r i b u t i o n .1 J, ,.2 ,。, .,3 ,‘J .,4 1 一壳体;2 一炸药;3 一含能材料;4 一金属药型罩。 图2 双层药型罩射孔弹结构 F 喀2 S t r u c t u r eo fp e n e t r a t i n gc h a r g ew i t hb i - l a y e rl i n e r 双层药型罩的结构如图3 所示,双层药型罩内 外层分布均匀,材料界面结合良好,未出现裂纹等缺 陷。其中,外层材料A 为含能材料,内层材料B 为 高钨配方材料,新设计的模具结构能够顺利制备双 层含能药型罩。 b 外观形貌 1 一含能材料2 一高钨配方B 。 图3 含能双层罩 F i g .3E n e r g e t i cb i l a y e rl i n e r 为了实现制备这种结构的药型罩,设计了双层 药型罩模具,结构如图4 所示,双层罩模具与普通模 具的区别是普通模具没有旋转阴模套。 如果选用普通模具制备双层药型罩,过程如下 1 一压罩模套;2 一压罩阳模;3 一药型罩; 4 一旋转阴模套5 一销钉;6 一传动方杆。 图4 双层罩模具设计 F i g .4 M o l dd e s i g n i n go fb i l a y e rl i n e r 万方数据 2 0 1 7 年4 月含能射孑L 弹双层药型罩穿孔性能研究潘文强,等 3 3 先分别压制内外层材料,并分别顶出,再将压制好的 外层与内层药型罩分别放人模具,然后压制、粘结在 一起。这种制备方法的缺点是有弹型后效[ 9 ] 的作 用.药型罩膨胀,再次放人模具不容易放进,强行放 入容易产生裂纹,且轴对称性差,影响射孔弹穿深。 双层药型罩具体实现过程如下向图4 的模具 中倒人含能材料A 粉末 即外层材料,阴模旋转, 用2 ~5M P a 的压力压制成型,压机回程,阴模不顶 出;继续倒人内层深穿透材料B ,阴模旋转,在工艺 规定的压制压力 大压力 下压制成型,压机回程, 阴模顶出,内层药型罩与外层药型罩粘在一起,形成 双层含能药型罩。 新设计的模具与普通模具设计相比,优点主要 有1 阴模与旋转壳套之间没有相对转动,降低了 阴模口部位置与含能层的摩擦力。降低了压制风险; 压制内层高钨配方层时,粉末在阴模中仍然能够甩 得起来,使内层药型罩成分分布更加均匀,轴对称性 好。2 阴模不容易拉伤。 1 .2 试验方案 为了使对比试验可靠,分别压制单组分药型罩 及双层药型罩作为同种工艺条件下的试验对比.以 消除其他因素的影响。选用8 9 型射孔弹进行试验. 药型罩口径为3 9m m ,射孔弹外径为4 8m m 。研究 人员郑宇等[ 10 ] 的模拟研究结果表明,当内外层金属 的厚度比为I 时,射孔弹穿深性能最好随着厚度比 的增加,射流头部的速度不断增加,但增加的程度不 断减小。因此,笔者选用厚度8 0 .8m m 、厚度比卵 I 的8 9 型射孔弹药型罩进行试验。对单金属含能 射孔弹和双层含能8 9 型射孔弹作对比试验。试验 设计如表I 所示。 表I 双层材料设计 T a b .1M a t e r i a lc o m p o s i t i o no fb i l a y e rl i n e r 2 结果与讨论 2 .1 双层药型罩射孔弹的穿深性能 用压制的药型罩分别在同种条件下压制射孔 弹,并进行打靶试验。射孑L 弹打靶条件目标靶为直 径1 6 0m m 、长度1m 的A P I1 9 B 混泥土靶炸高为 1 2c m ;间隙为1 8c m ;模拟枪管和套管的厚度均为 1 0c m 。穿深数据如表2 所示,图5 为双层含能射孔 弹的射孔效果。 表2 穿深数据对比 T a b .2 C o m p a r i s o no fp e n e t r a t i o nd e p t h 。。 穿深/m m “。 单金属含能8 9 型弹 双层含能8 9 型弹 麟 b 射孔孔道 图5双层药型罩射孔效果 F i g .5 P e r f o r a t i o ne f f e c to fb i l a y e r 从表2 中可以看出,双层药型罩与单金属药型 罩的穿深差异较大,双层含能射孑L 弹的射孑L 深度比 单金属含能射孑L 弹的穿深高7 3 .8 %。从图5 中可 以看出,双层含能射孔弹孔道大且均匀。 双层含能药型罩穿深性能比单金属含能药型罩 穿深性能显著提高,主要由于内层药型罩由高钨配 方的金属组成,在药型罩压垮过程中,形成高密度射 流,射流动能显著增加,穿深增加。 2 .2 数值模拟 射孑L 弹药型罩在爆轰波作用下压垮过程.具有 大应变、高应变速率特性。处理大应变、高应变速率 问题时,E u l e r 算法比L a g r a n g e 算法更适合,本研究 中,选用L s .D y n a 的E u l e r 算法进行模拟。计算模型 如图6 所示,其中,内层为高钨配方材料,外层为含 能材料。 罴≮誊一≮ 一 万方数据 3 4 爆破器材 第4 6 卷第2 期 图6 计算模型 F i g .6 C a l c u l a t i o nm o d e l 炸药采用H i g h .E x p l o s i v e .B u m 模型及J W L 状态 方程加以描述,空气采用N u l l 材料模型及L i n e r . P o l y n o m i a l 状态方程加以描述[ 1 1 | 。 药型罩的强度在爆轰过程中可以忽略不计,因 此不需要建立药型罩的强度模型,M i e .G r u n e i s e n E O S 状态方程非常适合爆轰过程中各种粉末冶金药 型罩、冲压板罩的L s .D y n a 处理。L i u 和S h e n l l 23 使 用E O S 状态方程模拟药型罩的冲击过程,分析结果 表明.模拟结果与其试验结果非常符合。基于 H u g o n i o t 冲击方程的M i e G r u n e i s e nE O S 方程如下 所示 P p H ,1 p E E H 。 1 式中J r 为G r u n e i s e nG a m m a 系数,, B o / 1 /z , 风为一个常数;P 为金属药型罩的密度;p H 和E 。为 H u g o n i o t 压力和能量。 其中 p o c 缸 1 /z , p H2 丌了i 而矛; u ’ 耻舞 南j o ㈩ 式中C 。为声音在材料中的传播速度;肛为可压缩 系数,肛 p /p 。一1 ;s 为常数。 M i e .G r u n e i s e nE O S 状态方程模拟弹壳的爆轰 过程.弹壳的强度采用J o h n s o n .C o o k 方程表示。 O r A B 占“ 1 C l n e 1 一巧 。 4 式中盯为流变应力;占为塑性应变量;占 为应变速 率;靠是同系温度;A 、B 、C 、n 、m 为常数。 。 丁一L 。m %2 茬。 5 图7 是双层药型罩压垮、射流形成、延展和断裂 的过程。外层罩没有形成射流,只是形成了杵体的 一部分,射流还是由密度较高的内层金属构成,因 此.双层含能药型罩能够实现内层深穿透、外层含能 材料清洁和扩孔的结构。 图7 双层罩射孔弹的爆炸模拟结果 F i g .7 S t i m u l a t i o nr e s u l t so fp e n e t r a t i n gc h a r g e w i t hb i l a y e rl i n e r 3结论 1 理论研究了双层药型罩的作用机理,即内层 药型罩形成射流,外层药型罩形成杵体。 2 设计了新的压罩模具结构.并利用该结构压 制了外层为含能材料A 、内层为高钨配方B 的双层 药型罩,双层药型罩界面结合良好,药型罩强度高, 界面材料厚度分布均匀。 3 双层含能药型罩射孔弹与单金属含能射孑L 弹相比.双层含能射孔弹的射孔深度比单金属含能 射孔弹的穿深高7 3 .8 %,能够实现深穿透、清洁扩 孔的功能。 参考文献 [ 1 ] G R O V EB ,W A L T O NI .S h a p e dc h a r g ej e tv e l o c i t ya n d d e n s i t yp r o f i l e s [ C ] //2 3 r dI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo n B a l l i s t i c s .T a r r a g o n a ,S p a i n ,2 0 0 7 1 0 3 11 0 . [ 2 ] H E L DM .L i n e r sf o rs h a p e dc h a r g e s [ J ] .J o u r n a lo fB a t - t l e f i e l dT e c h n o l o g y ,2 0 0 1 4 1 3 . [ 3 ] P F E F F E RG .D e t e r m i n a t i o np a rs i m u l a t i o n sn u m t r i q u e s d eL ’e t a te td e sl o i s d ef r a g m e n t a t i o nd e sj e t sd ec h a r g e s C r e u s s e s [ C ] //5 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nB a l l i s t i c s .T o u l o u s e ,F r a n c e ,1 9 8 0 . [ 4 ] H A N E YJ ,W E S S O ND .S h a p e dc h a r g e U S7 0 4 4 2 2 5B 2 [ P ] .2 0 0 6 - 0 5 1 6 . [ 5 ] G E OD y n a m i c s .C o n n e xr e a c t i v ep e r f o r a t i n gc l e a nt u n n e l s f r a c t u r e dt i p s [ E B /O L ] .[ 2 0 1 6 1 2 1 6 ] .h t t p //w w w . p e r f .c o m /c o n n e x r e a c t i v e p e r f o r a t i n g .h t m l . [ 6 ] T A M E RE .T h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f e x p l o s i v er e a c t i v eA r m o u r s [ D ] .C a i r o ,E g y p t M a s t e ro f S c i e n c eT h e s i s ,M i l i t a r yT e c h n i c a lC o l l e g e ,2 0 0 4 . [ 7 ] L E EWH .O i lw e l lp e r f o r a t o rd e s i g nu s i n g2 DE u l e r i a n c o d e [ J ] .I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fI m p a c tE n g i n e e r i n g , 2 0 0 2 ,2 7 5 5 3 5 - 5 5 9 . [ 8 ] C U R T I SJP ,S M I T HFT ,W H I T EA .T h ef o r m a t i o na n d s t r e t c h i n go fb i m a t e r i a ls h a p e dc h a r g ej e t s [ J ] .A m e r i c a n I n s t i t u t e o fP h y s i c sC o n f e r e n c eP r o c e e d i n g s ,2 0 11 ,1 4 2 6 1 0 1 1 6 1 1 9 . 下转第3 8 页 万方数据 3 8 爆破器材第4 6 卷第2 期 乳化基质、用户使用和储存乳化基质。 3结论 该新型乳化基质具有一定流动性,其爆炸性能 稳定。具有良好的爆炸性能,能满足装药车现场装药 要求;经长距离 7 0 0k m 运输后,不破乳、不老 化,且性能没有明显衰减,并在3 0d 的储存期内,性 能衰减较小,可以满足长距离运输现场装药车装填 的需要。解决了爆破一体化过程中的集中制药、远 程配送后装药车现场机械化装填对散装乳化基质的 要求,为爆破一体化服务打通了瓶颈。 参考文献 [ 1 ]汪旭光.乳化炸药[ M ] .2 版.北京冶金工业出版社, 2 0 0 8 . W A N GXG .E m u l s i o ne x p l o s i v e [ M ] .2 n de d .B e i j i n g M e t a l l u r g yI n d u s t r yP r e s s ,2 0 0 8 . [ 2 ]祁茂富,程飞,刘晓明.乳胶基质远程配送可行性研究 [ M ] //吕春绪.民用爆破器材理论与实践.北京兵器 工业出版社,2 0 1 2 1 6 9 .1 7 2 . Q IMF ,C H E N GF ,L I UXM .R e s e a r c ho nr e l a t e dt e c h n i q u e so fl o n g d i s t a n c ed e l i v e r y i n gs y s t e m o fe m u l s i o n m a t r i x [ M ] //L OCX .T h e o r ya n dP r a c t i c eo fI n d u s t r i a l E x p l o s i v eM a t e r i a l s .B e i j i n g W e a p o n sI n d u s t r yP r e s s , 2 0 1 2 1 6 9 1 7 2 . [ 3 ] 李宏兵.乳胶远程配送系统相关技术研究[ J ] .爆破, 2 0 1 0 ,2 7 2 8 8 9 1 . L IHB .R e s e a r c ho nr e l a t e dt e c h n i q u e so fl o n g d i s t a n c e d e l i v e r y i n gs y s t e m o fe m u l s i o nm a t r i x [ J ] .B l a s t i n g , 2 0 1 0 ,2 7 2 8 8 9 1 . [ 4 ]韦锦初,开俊俊.乳胶基质远程配送及储存技术的探 讨[ J ] .煤矿爆破,2 0 1 1 4 3 5 .3 6 . W E IJC .K A IJJ .D i s c u s s i o no nt h et e c h n i q u e so fl o n g - d i s t a n c ed e l i v e r ya n ds t o r a g eo fe m u l s i o nm a t r i x [ J ] .C o a l M i n eB l a s t i n g ,2 0 1 1 4 3 5 - 3 6 . 『5 ]王艳平,陈锐.推进我国民爆生产与爆破服务一体化 实质性发展的对策研究与实践探讨[ J ] .煤矿爆破, 2 0 1 5 3 l 一7 . W A N GYP ,C H E NR .C o u n t e r m e a s u r e sr e s e a r c ha n d p r a c t i c a l d i s c u s s i o no n p r o m o t i n gi n d u s t r i a le x p l o s i v e m a t e r i a l s ’p r o d u c t i o nc o m b i n e dw i t hb l a s t i n gs e r v i c e s [ J ] . C o a lM i n eB l a s t i n g ,2 0 1 5 3 1 7 . [ 6 ]戴佑林.水相p H 值对一号岩石乳化炸药爆速和猛度 的影响[ J ] .爆破器材,2 0 0 6 ,3 5 1 8 - 1 0 . D A IYL .E f f e c to ft h ep Hv a l u eo fw a t e rp h a s eo nt h e d e t o n a t i o nr a t ea n db r i s a n c eo fr o c ke m u l s i o ne x p l o s i v e [ J ] .E x p l o s i v eM a t e r i a l s ,2 0 0 6 ,3 5 1 8 - 1 0 . [ 7 ]陈银良.影响乳化炸药稳定性的因素分析[ J ] .爆破器 材,2 0 1 1 ,4 0 2 1 7 1 9 . C H E NYL .A n a l y s i so nt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t y o fe m u l s i o ne x p l o s i v e [ J ] .E x p l o s i v eM a t e r i a l s ,2 011 ,4 0 2 1 7 一1 9 . [ 8 ]陈丽花.浅谈如何提高乳化炸药的稳定性[ J ] .能源与 环境,2 0 1 2 4 1 3 5 .1 3 6 . [ 9 ]马平,谭本岭,叶辉,等.乳胶基质黏度影响因素研究 [ J ] .工程爆破,2 0 1 5 ,2 1 3 9 - 1 2 . 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Z H E N GY ,W A N GXM ,L IWB ,e ta 1 .T h e o r e t i c a lm o d c l i n ga n da n a l y s i so nj e tf o r m a t i o no fd o u b l e - l a y e r e dc o n i e a ll i n e r [ J ] .C h i n e s eJ o u r n a lo fE x p l o s i v e s &P r o p e l l a n t s ,2 0 0 8 ,3 1 3 1 0 1 4 . [ 1 2 ] 石少卿,康建功,汪敏,等.A N S Y S /L S .D Y N A 在爆炸 与冲击领域内的工程应用[ M ] .北京中国建筑工业 出版社,2 0 1 1 2 0 .3 0 . L I UYB .S H E NZW .N u m e r i c a ls i m u l a t i o no nf o r m a t i o na n dp e n e t r a t i o n t a r g e t o fp o w d e rm e t a l s h a p e d c h a r g ej e t [ C ] //2 0 1 0I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nC o m p u t e rA p p l i c a t i o na n dS y s t e mM o d e l l i n g .I E E E ,2 0 1 0 V 9 .5 18 .V 9 .5 2 1 . 万方数据