用于聚能射孔弹的烧结钨衬套

摘要

一种生产用于聚能射孔弹的衬套的方法，它包括：将粉末金属组分与增塑剂和粘接剂混合以形成糊状物；然后使该糊状物颗粒化，并且注入到注射模具中；将该糊状物模制成模制的衬套形状；然后进行化学处理以从模制的衬套形状中除去增塑剂和粘接剂；在从注射模具中取出之后，在炉子内对该模制的衬套形状进行烧结。粉末金属组分可以包括60wt％－97wt％的重金属粉末和40wt％－3wt％的钴，或者该粉末金属组分可以包括60wt％－97wt％的重金属粉末和40wt％－3wt％的铜，优选的重金属为钨。

说明书

相关申请

本申请要求了2000年5月19日申请的共同未决美国临时申请No.60/206099的优先权，其全部内容在这里被引用作为参考。

技术领域

本发明大体上涉及爆破聚能射孔弹领域。更具体地说，本发明涉及用作聚能射孔弹中的衬套的物质组分以及一种制造聚能射孔弹衬套的方法，其中所述聚能射孔弹用于油井射孔。

背景技术

聚能射孔弹尤其用于在穿过大地岩层钻出的油井中形成水力连通通道(被称为射孔)，以便使得大地岩层的预定区域能够与油井水力连接。因为油井通常是通过将管道或套管共轴地插入油井中来完成的，并且通过将水泥泵送进油井和套管之间的环形空间中而将套管固定在油井中，所以必须进行射孔。用水泥结合的套管设置油井中专门用来使由油井穿透的各个大地岩层相互水力分开。

在本领域公知用来对油井进行射孔的聚能射孔弹与射孔器结合使用，并且该聚能射孔弹通常包括外壳、衬套和插入在衬套和外壳之间的一些高爆炸药，其中所述高爆炸药通常为HMX、RDX、PYX或HNS。当该高爆炸药爆炸时，爆炸力使衬套破碎并且使它从装药的一个端部以非常高的速度以所谓“射流”的形式喷射出。该射流穿透外壳、水泥和一些岩层。可以通过在标准条件下来测试类似聚能射孔弹的爆炸，从而针对特定设计的聚能射孔弹估计出由该射流可以穿透的岩层量。该测试包括使用一种长水泥“目标”，所述射流部分穿透它。对于任何具体类型聚能射孔弹来说，射流穿过特定目标的深度与穿过大地岩层的具体射孔器的射流穿透深度相关。

为了提供与岩层有效水力连通的射孔，现有技术中已经知道，以各种方式设计出聚能射孔弹，以便提供能够穿过大量岩层的射流，其中“量”指射孔的“穿透深度”。在本领域所公知的用于提高穿透深度的一种方法是，增加装在外壳内的炸药数量。增加炸药数量的缺点在于，爆炸的一些能量会沿着从外壳中发射出射流的方向之外的其它方向作用。由于炸药量增加，所以会增加由爆炸引起的对油井以及用来将该聚能射孔弹输送到要进行打孔的油井内的深度处的设备的损坏程度。

聚能射孔弹衬套的声速是衬套能够行进并且仍然形成连贯“射流”的理论最大速度。如果衬套以超过衬套材料的声速的速度破碎，则所得到的射流将不会连贯。连贯的射流是由小颗粒的连续流构成的射流。非连贯射流包含大颗粒或者是由多股颗粒流构成的射流。通过以下等式计算出衬垫材料的声速，声速＝(体积模量/密度)^1/2(等式1.1)。增加破碎速度将反过来将提高射流顶部速度。增加射流顶部速度是优选的，因为射流顶部速度增加也增加了射流的动能，这就增加了油井穿透性。因此，由具有更高声速的材料制成的衬套是优选的，因为这会增加破碎速度同时保持射流连贯性。

因此，重要的是，向聚能射孔弹衬套提供不会使得该聚能射孔弹衬套超过其声速的爆炸装药。另一方面，为了使穿透深度最大，要求使聚能射孔弹衬套在它们的声速附近工作，并且利用具有最大声速的聚能射孔弹衬套。另外，重要的是产生连贯的射流，因为连贯射流的穿透深度大于非连贯射流的穿透深度。

按照等式1.1，调节聚能射孔弹衬套材料的物理性能能影响所得到的射流的声速。另外，可以调节聚能射孔弹材料的物理特性以增加聚能射孔弹衬套的声速，这又会增加形成连贯射流的最大可允许速度。知道聚能射孔弹的声速是重要的，因为在理论上聚能射孔弹衬套在射流速度超过聚能射孔弹衬套的声速时将不会形成连贯射流。

在本领域还公知的是，以各种方式设计衬套的形状以便对于任意特定量的炸药而言使聚能射孔弹的穿透深度最大。即使在聚能射孔弹的形状和声速被优化的情况下，也必须通过炸药量来限制为了进行射孔而可以传递给衬套上的能量。聚能射孔弹性能取决于衬套材料的其它特性。密度和延展性是影响聚能射孔弹性能的特性。聚能射孔弹衬套的最优性能在由聚能射孔弹衬套形成的射流较长、连贯并且高度密集时出现。可以通过采用高密度衬套材料来增加射流的密度。射流长度是由射流顶部速度和射流速度梯度所决定的。射流速度梯度是射流速度沿着射流的长度变化的速度，而射流顶部速度是射流顶端的速度。通过衬套材料和几何形状来控制射流顶部速度和射流速度梯度。射流顶部速度和射流速度梯度越高则射流越长。在实心衬套中，优选采用可锻材料，因为实心衬套可以在速度梯度使衬套开始破碎之前伸展成更长的射流。在多孔衬套中，优选具有形成较长的、密集的、小颗粒连续流(连贯射流)。为了由实心衬套或多孔衬套中产生连贯射流，衬套材料必须是这样的，该衬套在爆炸之后不会分裂成大碎片。

实心聚能射孔弹衬套是通过将金属冷加工成所要求的形状来形成的，然后通过在冷加工形成的衬套上加上一层涂层以形成复合衬套。在Winter等人的美国专利4766813、Ayer的美国专利5279228以及Skolnick等人的美国专利4498367中提出了与冷加工衬套相关的信息。但是，实心衬套的缺点在于，会形成“碎片”并且会堵塞在所得到的射孔中-这就降低了从所形成的区域流进油井中的碳氢化合物。碎片是聚能射孔弹衬套的片段，它在衬套已经爆炸之后形成实心块并且不会形成部分聚能射孔弹射流。相反，碎片会采取椭圆形形状，以低于聚能射孔弹射流速度的速度行进并且因此尾随着聚能射孔弹射流。

多孔衬套是通过将粉末金属挤压成基本上为圆锥形刚性体来形成的。通常，由挤压粉末金属形成的多孔衬套利用了两种或更多种金属形成的复合物，其中这些粉末金属中的至少一种是重金属或更高密度的金属，并且这些粉末金属中的至少一种用作粘接剂或粘结材料以将重金属或更高密度的金属粘结在一起。过去用来形成聚能射孔弹衬套的重金属或更高密度金属的示例包括钨、铪、铜或铋。通常所用的粘接剂或粘结材料包括粉末铅，但是粉末铋曾经用作粘接剂或粘结金属。虽然铅和铋更通常用作粘接剂或粉末金属粘接剂的粘结材料，但是可以使用其它具有高延展性和可锻性的金属作为粘接剂或粘结金属。具有高延展性和可锻性并且适用于用作粘接剂或粘结金属的其它材料包括锌、锡、铀、银、金、锑、钴、铜、锌合金、镍和钯。在Werner等人的美国专利5221808、Werner等人的美国专利5413048、Leidel的美国专利5814758、Held等人的美国专利4613370、Reese等人的美国专利5656791和Reese等人的美国专利5567906中提出了与用粉末金属形成聚能射孔弹衬套有关的信息。

上述与粉末金属衬套相关的参考文献中的每一个存在的缺点在于，非均匀的衬套密度、有限的几何形状、衬套特性的不可再现性、衬套滑移和/或粘结材料在材料混合物中高百分比。衬套滑移指的是聚能射孔弹衬套在该聚能射孔弹已经装配好并且存储之后稍微膨胀。即使是该聚能射孔弹衬套的稍微膨胀也会降低聚能射孔弹的有效性和再现性。

当前大多数多孔聚能射孔弹衬套是通过用旋转冲头冲压粉末金属混合物来构成的。该工艺将该聚能射孔弹衬套限制为圆锥形或截头圆锥形几何形状。我们相信，具有不同几何形状例如喇叭形开口例如喇叭的喇叭口可以提供更高的射流顶部速度以及更长的射流。但是，旋转冲头不能生产出衬套曲线具有小半径的衬套。

另外，由旋转冲头施加的转动和压力随着所制造的每个连续衬套而变化。同样，所生产的每个聚能射孔弹衬套具有与下一个或前一个制造的聚能射孔弹衬套不同的物理性能。因此，聚能射孔弹衬套的性能不能被精确地预测出，并且操作结果难以再现。旋转冲头还生产出密度不均匀的衬套。密度不均匀的衬套将不会形成与密度均匀的衬套一样的连贯射流。

粘接剂或粘结材料其密度通常比重金属组分低。因此，当聚能射孔弹衬套包括相当大百分比(例如30％或更多)的粘接剂或粘结材料时，该聚能射孔弹衬套的整体密度下降。降低聚能射孔弹的整体密度降低了由该特定聚能射孔弹产生的穿透深度。

因此，要求生产这样一种聚能射孔弹，它具有均匀的密度、变化的几何形状、改进的整体密度、高声速、可再现的操作结果以及不会滑移。

发明概述

这里提供一种生产用于聚能射孔弹的衬套的方法，它包括将粉末金属组合物与增塑剂和粘接剂混合以形成糊状物。然后使该糊状物颗粒化，并且注入模具中，在模具中将这些颗粒挤压成模制的衬套形状。可能的衬套形状包括圆锥形、双圆锥形、郁金香形、半球形、环形、线形和喇叭形。在从模具中取出之后，对该模制的衬套形状进行化学处理以从模制衬套形状中除去增塑剂和粘接剂。之后，将该模制的衬套形状装进炉子中，在那里将它加热到足以烧结这些金属颗粒以形成衬套的温度。在烧结过程中，除去任何剩余的有机材料。本发明的粉末金属组分由中金属粉末和金属粘接剂的混合物构成。优选的粉末重金属为钨，并且优选的金属粘接剂为铜或钴。当粘接剂为铜时，该混合物包括60wt％-97wt％的重金属粉末和40wt％-3wt％的铜。当粘接剂为钴时，该混合物包括60wt％-97wt％的重金属粉末和40wt％-3wt％的钴。

还提供一种聚能射孔弹，它包括外壳、装入在外壳中的一些炸药和插入在该外壳中的衬套。衬套如此安装，从而所述一些炸药设置在衬套和外壳之间。衬套由粉末重金属和粉末金属粘接剂的混合物形成。金属粘接剂由铜或钴构成。当粘接剂为铜时，该混合物包括60wt％-97wt％的重金属粉末和40wt％-3wt％的铜。当粘接剂为钴时，该混合物包括60wt％-97wt％的重金属粉末和40wt％-3wt％的钴。衬套通过注射模制和烧结形成。

附图的简要说明

图1为具有根据本发明的衬套的聚能射孔弹的剖视图。

优选实施方案的详细说明

参照这里的附图，在图1显示出根据本发明的聚能射孔弹10。聚能射孔弹10通常包括：圆筒形外壳1，它可以由钢、陶瓷或其它本领域公知的材料形成。大体上在2处所示的一些炸药插入在外壳1的内部中。炸药2可以由本领域所公知的组分构成。在本领域所公知的用在聚能射孔弹中的炸药包括以HMX、HNS、RDX、IINIW、PYX和TNAZ商标名称销售的成分。形成在外壳1的底部处凹穴4可以装有传爆药(未示出)例如纯净的RDX。该传爆药如由那些本领域普通技术人员所理解的一样将由通常设置成与凹穴4的外部接触的爆炸引线(未示出)所提供的爆炸信号有效地传送给炸药2。凹穴4可以在外面覆盖有大体上在3处所示的密封件。

在5处所示的衬套通常在炸药2上深深地插入在外壳1中，从而炸药2基本上填充了外壳1和衬套5之间的体积。在本发明中的衬套5通常由粉末金属的混合物制成，该混合物经过注射模制然后烧结成所要求的形状。衬套主体通常在底部敞开并且是中空的。可能的衬套形状包括圆锥形(它包括截头圆锥形)、双圆锥形、郁金香形、半球形、环形、线形和喇叭形。

如由那些本领域普通技术人员所公知的一样，当炸药2直接通过从爆炸引线(未示出)或者通过传爆药(未示出)传送来的信号爆炸时，爆炸力使衬套5破碎并且使得该衬套5形成射流，一旦形成该射流以非常高的速度从外壳1中射出。

本发明的其中一个新颖特征在于，聚能射孔弹衬套是通过这样一种工艺构成的，该工艺包括以下步骤，注射模制和烧结金属粉末混合物以形成聚能射孔弹衬套。该金属粉末混合物包括与粘接剂混合的重金属粉末。优选的重金属粉末为钨。虽然粘接剂可以选自铅、铋、锌、锡、铀、银、金、锑、钴、锌合金、锡合金、镍、钯；但是本发明优选的粘接剂为钴或铜。本发明的另一个新颖特征在于，金属粉末混合物比率为60％-97％的重金属粉末和40％-3％的钴或40％-3％的铜。重金属粉末和钴混合物的优选混合比例为90％-94％的重金属粉末和10％-6％的钴。重金属粉末和铜混合物的优选混合比例为85％的重金属粉末和15％的铜。

该金属粉末混合物首先与增塑剂和粘接剂混合以产生金属粉末糊状物，该糊状物有长为2-3英寸的材料糊块构成。然后使这些金属粉末糊块颗粒化成长度大约为1cm的较小颗粒。虽然颗粒化的优选方法是在颗粒化机内进行，该机器使金属粉末块转变成较小的颗粒，但是可以通过本领域所公知的任意合适的方法来进行颗粒化。在颗粒化之后，将该糊状物注入模具中，在那里通过压力将它形成为所要求的衬套形状。一旦模制好，从该模具中将该衬套取出，并且进行化学处理以除去大部分增塑剂和粘接剂。然后将成形的衬套放进炉子中，在那里将它加热到低于该金属粉末混合物的熔融点但是足以除去剩余的增塑剂和粘接剂的温度上。由于烧结工艺从该衬套材料中除去了物质(增塑剂和粘接剂)，所以该衬套在烧结期间其尺寸将收缩。一旦衬套已经达到了所要求的尺寸，从该炉子中将该衬套取出。该工艺被称为烧结，并且如由熟练工人所知道的一样，烧结时间和炉温将根据所要求的衬套尺寸和留在该材料中的增塑剂和粘接剂的量而变化。但是，不需要过分试验，本领域普通技术人员将知道该衬套到达所要求尺寸的温度和时间。

在制造聚能射孔弹中，可以通过施加在6处所示的粘合剂来将该衬套5固定在外壳1中。粘合剂6使得聚能射孔弹10能够抵抗通常在处理和输送期间受到的冲击和震动，从而衬套5或炸药2不会在外壳1内运动。要理解的是，粘合剂6只用来使衬套5在外壳1内固定不动并且不应该被认为是对本发明的限制。

因此在这里所述的本发明能够很好地适用于实现上述目的并且获得上述结果和优点以及其它内在的结果和优点。虽然为了公开已经给出了本发明的当前优选实施方案，但是在实现所要求结果的过程细节上可以有许多变化。例如，可以采用选自铅、铋、锌、锡、铀、银、金、锑、钴、锌合金、锡合金、镍、钯的粘接剂。这些和其它类似的改进对于那些本领域普通技术人员而言是显而易见的，并且打算包含在这里所披露的本发明的精神以及附属权利要求的范围内。