CN108894757B - 一种电磁驱动石油射孔弹装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁驱动石油射孔弹装置，包括金属罩装置、输入电极、绝缘块、和输出电极，以强电流作为驱动能源，使强电流电流流过金属罩表面并产生环向磁场，金属罩受到朝轴向汇聚的安培力的作用而压垮，形成高速高压的金属射流，可以在坚硬岩石上侵彻出深孔。通过控制电流大小以及金属罩的锥角、母线长和壁厚，可以控制射流的长度、质量以及速度，进而控制射孔深度以及孔的大小。本发明不仅可以充实新概念、新原理的石油射孔弹的设计手段，而且突破了几十年来使用的***驱动射孔弹的单一模式，可应用于石油勘探和开采上，提高开采率，提高射孔质量。
Description
技术领域
本发明是石油勘探领域，具体涉及一种电磁驱动石油射孔弹装置。
背景技术
油气勘探开发过程中的一个最重要的阶段就是打开储集层，即探井中要试验或工业生产时要测试的那些生产层位。油井射孔是石油勘探和开采的一项关键技术。射孔可实现井筒和预测全部油层之间的连通。有效地射孔孔眼对于正确评价油气层，提高油气井产能和油气藏采收率是至关重要的。同时射孔技术工艺的完善与否直接影响到油气井预期的产能和油气层的保护。
自40年代开始在石油开采中使用聚能装药射孔技术以来，射孔器材及射孔技术都取得了迅速的发展，大约每10年就更新一次。近年来，随着科学技术的突飞猛进，射孔弹技术有了突破性发展，研究石油地质和采油工艺的专家学者充分认识到射孔技术对采油率起着举足轻重的作用。我国自60年代开始射孔技术的应用和研究，一直发展很慢，直到80年代末才开始真正发展。国外在这方面的技术比较成熟，早在上世纪六十年代就开始研制大孔径射孔弹，并很快在油田得到应用。
目前，石油的开采向着深井、超深井方向发展，即要求勘探与开采的目的层位不断加深，随着开采难度的不断加大，为提高开采率，提高射孔质量就显得尤为关键。从长远来看，射孔弹的发展方向应该是高穿深、高孔密、大孔径、无污染。
结合相关理论，影响石油射孔弹穿孔深度的因素主要有6个方面：***性能、爆轰波形、金属罩材料、金属罩形状和结构、炸高和壳体。然而受到聚能装药结构特点和成型机理的限制，现阶段聚能装药的***能量利用率较低（仅为10%~20%），在不增加装药量和装药直径的情况下，射流侵彻威力难以进一步提高。而在***能量有限的情况下，通过改变聚能装药的结构难以继续提高聚能射流的侵彻威力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电磁驱动石油射孔弹装置，解决了传统射孔弹射孔深度小，孔径小，二次污染和二次破坏大，不易控制的技术问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种电磁驱动石油射孔弹装置，包括金属罩装置、输入电极、绝缘块和输出电极；金属罩装置包括第一圆柱体、第二圆柱体、圆渐扩管金属罩和圆锥；第一圆柱体外壁设有外螺纹；第二圆柱体的顶面与第一圆柱体固连，第二圆柱体底面与圆锥体固连，圆渐扩形金属罩直径小的端面套住圆锥体且与第二圆柱体的底面固连，绝缘块包括第三圆柱和第四圆柱，第四圆柱固定在第三圆柱底面中心，绝缘块中心设有一个二阶通孔，上述二阶通孔中的第一阶通孔位于第三圆柱上，第二阶通孔位于第四圆柱上，第二圆柱体下部位于第一阶通孔内，第二圆柱体的上部伸出第一阶通孔，圆锥直径小的一端位于第一阶通孔，另一端位于第二阶通孔内，输出电极为礼帽形，套住第三圆柱底部、第四圆柱底部和侧壁，圆渐扩形金属罩的直径大的端面与输出电极紧密接触，输入电极的中心有一螺纹孔，套在第一圆柱体上，与第一圆柱体的外螺纹配合，圆周排列若干个对称螺纹孔，每个螺纹孔间隔90°，用于连接外导线，使电流输入。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）孔深以及孔大小易于控制：传统***加载的石油射孔弹受***限制较为严重，在相同结构尺寸的金属罩下，很难通过改变***量来改变侵彻孔深以及孔大小；而电磁驱动射流成型过程是安培力直接施加于金属罩装置表面，而安培力的大小与电流大小息息相关，所以可以通过控制电流的大小，来控制侵彻孔深以及孔大小，简单方便快捷。
（2）无杵体：强磁加载在压垮过程中，电磁力垂直于药型罩表面，没有抛射角，并且头尾同时开始压垮，形成的射流头尾速度差较小，基本没有杵体，侵彻能力强。
（3）无***，安全可靠：传统石油射孔弹为***驱动，******驱动金属罩压垮，同时爆轰能量还会向四周传播，可能会造成破坏，在一些脆弱地方不适合使用，而本发明强电流只流经金属罩导线，能量基本不外泄，安全可靠且易于控制。
（4）能量利用率高：由于金属罩装置锥角和直径直接决定了母线的长度，传统射孔弹的金属罩母线不可能做的很长，而强磁加载技术在理论上可以将金属罩装置的锥角设计到非常小，这样金属罩装置母线长度将会变得很长，一旦母线长度增加，在能量足够的情况下，射流的长度将会大大增加，其穿孔能力也会成倍增长。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的金属罩装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明采用易于控制的磁场耦合方法，利用高能量脉冲电容器组产生兆安级的强电流，强电流流过本发明的金属罩装置1表面并产生环向磁场，金属罩装置1受到朝轴向汇聚的安培力，进而对金属罩装置1进行压垮，形成金属射流。理论上讲，电磁加载技术形成的射流头尾速度差较小，在大炸高下仍具有较强的侵彻能力。流经金属罩装置1的电流越大，金属罩装置1的压垮速度越大，射流头部速度越高，其侵彻威力越强。并且金属罩装置1的锥角可以设计的很小，这样不仅可以增加金属罩装置1的母线长度，也可以增加射流的有效长度，进一步提高侵彻威力。
结合图1和图2，本发明所述的一种电磁驱动石油射孔弹装置，包括金属罩装置1、输入电极2、绝缘块3和输出电极4。金属罩装置1包括第一圆柱体1-1、第二圆柱体1-2、圆渐扩管金属罩1-3和圆锥1-4。金属罩装置1采用导电性和延展性好的金属材料，如紫铜、铝、金、银等。第一圆柱体1-1外壁设有外螺纹，用于和输入电极2进行螺纹连接。第二圆柱体1-2的顶面与第一圆柱体1-1固连，且半径略大于第一圆柱体1-1的半径，用于支撑输入电极2。第二圆柱体1-2底面与圆锥体1-4固连，用于保证金属罩1压垮时能够沿着尖顶外壁连续地向中心汇聚，且尖顶能够确保金属罩在向中心汇聚时电流始终连续地通过金属罩。圆渐扩形金属罩1-3直径小的端面套住圆锥体1-4且与第二圆柱体1-2的底面固连，绝缘块3包括第三圆柱和第四圆柱，第四圆柱固定在第三圆柱底面中心，绝缘块3中心设有一个二阶通孔，上述二阶通孔中的第一阶通孔位于第三圆柱上，第二阶通孔位于第四圆柱上，第二圆柱体1-2下部位于第一阶通孔内，第二圆柱体1-2的上部伸出第一阶通孔，圆锥1-4直径小的一端位于第一阶通孔，另一端位于第二阶通孔内，输出电极4为礼帽形，套住第三圆柱底部、第四圆柱底部和侧壁，圆渐扩形金属罩1-3的直径大的端面与输出电极4紧密接触，输入电极2的中心有一螺纹孔，套在第一圆柱体1-1上，与第一圆柱体1-1的外螺纹配合，圆周排列四个对称螺纹孔，每个螺纹孔间隔90°，用于连接外导线，使电流输入。
圆锥体1-4母线与圆渐扩形金属罩1-3的内表面的夹角小于等于90°。
绝缘块3套在圆渐扩形金属罩1-3外，目的是将输入电极2与输出电极4隔开，防止强电流击穿，其圆周也排列四个对称螺纹孔，每个螺纹孔间隔90°，用于螺栓固定。绝缘块3的材料为尼龙、塑料或环氧树脂等绝缘材料。输出电极4采用如紫铜、铝、金、银等导电性和延展性好的金属材料，在其帽檐上也排列四个对称螺纹孔，每个螺纹孔间隔90°，且与绝缘块3上的螺纹孔对齐，用螺栓连接绝缘块3、输出电极4和外接导线。绝缘块3底部中心设有圆孔，圆渐扩形金属罩1-3的大直径端面与输出电极4底部内表面紧密接触，保证电流能够通过输出电极4输出。外接电流通过输入电极2，流经金属罩装置1，在圆渐扩形金属罩1-3上，强电流与强电流产生的强磁场耦合，产生安培力压垮圆渐扩形金属罩1-3，圆渐扩形金属罩1-3开始向中心汇聚，形成高速射流进行开孔。在汇聚过程中电流不断通过圆渐扩形金属罩1-3流入输出电极4，再流入输出电极4连接的导线流出。
Claims (8)
1.一种电磁驱动石油射孔弹装置，其特征在于：包括金属罩装置（1）、输入电极（2）、绝缘块（3）和输出电极（4）；金属罩装置（1）包括第一圆柱体（1-1）、第二圆柱体（1-2）、圆渐扩形 金属罩（1-3）和圆锥（1-4）；第一圆柱体（1-1）外壁设有外螺纹；第二圆柱体（1-2）的顶面与第一圆柱体（1-1）固连，第二圆柱体（1-2）底面与圆锥（1-4）固连，圆渐扩形金属罩（1-3）直径小的端面套住圆锥（1-4）且与第二圆柱体（1-2）的底面固连，绝缘块（3）包括第三圆柱和第四圆柱，第四圆柱固定在第三圆柱底面中心，绝缘块（3）中心设有一个二阶通孔，上述二阶通孔中的第一阶通孔位于第三圆柱上，第二阶通孔位于第四圆柱上，第二圆柱体（1-2）下部位于第一阶通孔内，第二圆柱体（1-2）的上部伸出第一阶通孔，圆锥（1-4）直径大的一端位于第一阶通孔，另一端位于第二阶通孔内，输出电极（4）为礼帽形，套住第三圆柱底部、第四圆柱底部和侧壁，圆渐扩形金属罩（1-3）的直径大的端面与输出电极（4）紧密接触，输入电极（2）的中心有一螺纹孔，套在第一圆柱体（1-1）上，与第一圆柱体（1-1）的外螺纹配合，圆周排列若干个对称螺纹孔，每个螺纹孔间隔90°，用于连接外导线，使电流输入。
2.根据权利要求1所述的电磁驱动石油射孔弹装置，其特征在于：所述金属罩装置（1）、输入电极（2）和输出电极（4）均采用导电性和延展性好的金属材料，所述绝缘块（3）的材料为尼龙、塑料或环氧树脂。
3.根据权利要求2所述的电磁驱动石油射孔弹装置，其特征在于：所述导电性和延展性好的金属材料选用紫铜、铝、金或银。
4.根据权利要求1所述的电磁驱动石油射孔弹装置，其特征在于：所述第二圆柱体（1-2）半径大于第一圆柱体（1-1）。
5.根据权利要求1所述的电磁驱动石油射孔弹装置，其特征在于：所述圆锥（1-4）母线与圆渐扩形金属罩（1-3）的内表面的夹角小于等于90°。
6.根据权利要求1所述的电磁驱动石油射孔弹装置，其特征在于：所述输出电极（4）为礼帽形，其底面设有一个圆孔，所述输出电极（4）与圆渐扩形 金属罩（1-3）的接触面向圆孔方向以斜面平滑过渡，且斜面与圆渐扩形 金属罩（1-3）的内表面夹角小于等于90°。
7.根据权利要求1所述的电磁驱动石油射孔弹装置，其特征在于：所述圆渐扩形金属罩（1-3）直径小的端面的内径与圆锥（1-4）的底部直径相同。
8.根据权利要求1所述的电磁驱动石油射孔弹装置，其特征在于：上述第三圆柱直径大于第四圆柱直径，高度小于第四圆柱高度。
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