CN104541020B - 能量传递装置 - Google Patents

Abstract

提供一种能量传递装置(10)，其能够传递从一个火药装置(52)输出到另一装置(78)的能量，用于启动后者的点火。装置(10)包括装置外壳(12)，该外壳将可变形的装置插入件(14)接收其中。装置插入件(14)包括中心通道(34)，用于传输从火药装置(52)到另一火药装置(78)的输出，包括能量、气体和/或固体。通道(34)将火药装置输出传导到第二火药装置(78)上的精确位置，在其中最有效地启动点火。可使用能量传递装置(10)作为在完井作业中使用的工具(44)的一部分。

Description

能量传递装置

相关申请

本申请要求2012年4月24日提交的美国临时专利申请No.61/637541的利益，其全部内容通过引用并入本文。

发明背景

发明领域

本发明涉及一种能量传递装置，其配置为把从第一火药装置的输出释放的能量传到第二火药装置，以启动第二火药装置的点火。能量传递装置吸收由第一火药装置例如延时引信的输出装药释放的能量，并将至少一部分能量以可控的方式引向第二火药装置，以便有效地和可靠地促进第二火药装置的点火。

现有技术的说明

火药装置通常用于点燃或引爆各种工业应用例如油井完井作业中的装药。延时引信是示例的火药装置，其可用于启动用在爆破操作中的爆炸材料的引爆。延时引信通常在预定的延时增量中是可用的。然而，在某些应用中，需要比单一延时引信所提供的延时长得多的延时。在这种情况下，爆破操作者可使多个引信以串联的方式堆叠，期望来自一个引信的输出装药将点燃下一个引信的起爆器或点火装药。

延时引信通常不以这种方式设计或配置使用。因此，在某些情况下，来自延时引信的输出装药可能无法点燃相邻的引信，从而导致不能引爆在爆破操作中使用的起爆药。在井下作业的情况下，未能引爆起爆药可能需要使包括起爆药的工具回到洞里并安装一串新的延时引信。拉管柱是一个昂贵和费时的操作。由于其固有的危险性，爆炸装置的存在使这个操作更加复杂。

因此，在本领域中需要可靠地实现从一个延时引信到另一个延时引信的输出能量的传递，以确保引信链中随后的引信点燃。

发明内容

本发明提供了解决这个问题的方法，通过提供一种能量传递装置，其配置为传递从第一火药装置输出到第二火药装置的能量，用于启动第二火药装置的点火。在一个实施例中，能量传递装置包括金属主体，其具有前部和后部，前部配置为与第一火药装置相邻放置，后部配置为与第二火药装置相邻放置。金属主体还包括穿过其延伸的轴向通道。通道包括第一段和第二段，第一段延伸穿过主体的前部，第二段延伸穿过主体的后部。主体的前部通过从第一火药装置输出的能量是可变形的，使得通道第一段的直径变窄，从而在所述通道中形成颈缩。

根据本发明的另一实施例，提供了一种能量传递装置，配置为传递从第一火药装置输出到第二火药装置的能量，用于启动第二火药装置的点火。能量传递装置包括：装置外壳，包括延伸穿过其中的中心孔；和装置插入件，由外壳支撑在孔中。外壳包括外壳前部和外壳后部。插入件包括插入件前部和插入件后部以及延伸穿过其中的轴向通道。外壳前部和插入件前部配置为与第一火药装置相邻放置，以及外壳后部和插入件后部配置为与第二火药装置相邻放置。插入件前部通过从第一火药装置输出的能量是可变形的，从而在通道中形成颈缩。

根据本发明的又一实施例，提供了一种用于在井下传送火药装药的工具。该工具包括延时引信和能量传递装置。能量传递装置包括：装置外壳，其包括延伸穿过其中的中心孔；和装置插入件，其包括延伸穿过其中的轴向通道。装置外壳包括外壳前部和外壳后部。同样地，装置插入件也包括插入件前部和插入件后部。装置插入件配置为在外壳孔中放置。插入件前部通过从第一火药装置输出的能量是可变形的，从而在通道中形成颈缩。

根据本发明的再一实施例，提供了一种点燃井下火药装药的方法。提供了第一火药装置、能量传递装置和第二火药装置。能量传递装置包括金属主体，其具有前部、后部和延伸穿过其中的轴向通道。点燃第一火药装置以引爆输出装药。将来自输出装药的至少一部分能量通过轴向通道引向第二火药装置，从而点燃所述第二火药装置。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的能量传递装置的透视图；

图2是图1的能量传递装置的分解透视图，示出了其两部分结构；

图3是与延时引信一起用作井下工具的能量传递装置的示意图。

图4是能量传递装置插入件在其点火前的结构的剖视图；和

图5是能量传递装置插入件插入后的剖视图，示出了插入件的变形和通道颈缩的形成。

具体实施方式

现在转向附图，特别是附图1和2，示出了根据本发明的一个实施例的能量传递装置10。装置10是动力装置，其配置为限制和转换延时引信或类似装置的起爆输出，使得输出适合于点燃另一延时引信或类似装置，而不会损坏输入和导致不能点燃。装置10是两件式结构，包括装置外壳12和装置插入件14。外壳12包括金属主体13，其包括：大体上为圆柱形的前部16，该前部配置为邻近并面向火药装置放置，该火药装置供给向另一个火药装置传递的能量；和大体上为圆柱形的后部18，其配置为邻近并面向接收所传递的能量的火药装置放置。在某些实施例中，前部16可具有比后部18更大的外径。前部16的外表面包括螺纹20，其允许将外壳12固定在例如可用于井下爆破作业的工具中。主体13包括延伸穿过其中的轴向孔22，其尺寸为能够接收装置插入件14。孔22包括前段24和后段26，所述前段24通常具有比后段26更大的直径，虽然不需要始终是这种情况。

装置插入件14包括金属部件28，其包括前部30和后部32。前部30配置为被接收在孔22的前段24中，后部32配置为被接收在孔22的后段24中。最好如图4所示，插入件14还包括穿过其延伸的中心轴向通道34，其包括各自的前段和后段35，37。在某些实施例中，前段35呈现出小于段37的长度的长度。此外，段35的直径小于段37的直径。

如在下文中更详细的讨论，通道34作为导管将来自邻近前部16和30放置的一个火药装置的输出能量引向邻近后部18和32放置的第二火药装置。装置插入件14的前部30包括外切通道36，其配置为接收O形环38。O形环38提供了插入件14和外壳12之间的密封，并且还有助于使插入件14保持在装置10的组件上的孔22内。

插入件14的前部30通常具有比后部32更大的直径，从而与孔22的大体上的结构相符。前部30和后部32之间的连接处包括肩40，其邻接相似配置的肩42，肩42限定外壳12的前部16和后部18之间的连接处。两个肩40，42的接触接合确保了插入件14和外壳12的适当匹配。

在某些实施例中，外壳12和插入件14可以由各种金属制造，包括不锈钢，但每件可以单独地选择不同的不锈钢合金。在一个具体实施例中，外壳12可包括17-4(AMS 5643)不锈钢，而插入件14可包括304或304L不锈钢。在优选的实施例中，插入件14包括硬度和抗拉强度值比形成外壳12的金属低的金属。如在下文中更详细地解释，由不同的材料制造外壳12和插入件14允许插入件14在第一火药装置点火时经受变形，而外壳12抗变形，从而允许其重新使用。值得注意的是，同样，装置10本身不包括任何火药材料。

尽管在此说明和描述的装置10的实施例是两件式结构，但装置10为单件式结构也在本发明的范围之内，其包括单一的主体和中心轴向通道。这样的单件装置将保持外壳12的外部结构和插入件14的内部结构，即上文描述的通道34。

如图3所示，能量传递装置10可安装在工具44之内，例如用在井下爆破作业中的点火头。因此，工具44可配置为连接至井下管柱或其他井下工具。工具44通常包括点火部分46，其包括配备有撞针50的点火头48。点火部件46还包括布置在形成于点火部分的孔54内的第一延时引信52。引信52通常包括起爆器56、一个或多个延时58和输出装药60。在某些实施例中，输出装药60可包括2，2′，4，4′，6，6′-六硝基芪(HNS-II)。其他组成部分可存在于引信52内，包括点火组合物62、点火装药64和传递装药66的一个或多个部分。点火部分46还包括内螺纹端部区域68，配置为连接至工具传递部分72的外螺纹区域70。

能量传输装置10被容纳在区域70中。装置10的螺纹20配置为与区域70的相应螺纹74紧密配合，以确保装置10装在那里。装置外壳12还可以包括一对槽76，其形成于前部16的表面，并配置为将在装置10的安装过程中使用的工具容纳在部分70内。将第二延时引信78容纳在形成于传递部分72中的孔80中，并位于与装置外壳12的后段18相邻的位置。引信78可与引信52相同地构造，或者它可以被不同地配置，例如具有更多或更少的延时58。在与能量传递装置10相反的一端，传递部分72包括内螺纹端部区域82，其在结构上与端部区域68相似。如果还需要全部的延时，端部区域82配置为连接至附加的传递部分72。可替代地，另一种类型的火药装药可与端部区域82相连，例如用于爆破作业中的工作爆炸。

在工具44的操作中，根据本领域技术人员已知的任何方法致动点火头48，并导致使撞针50朝向延时引信52驱动。撞针50撞击起爆器56从而点燃引信52。构成引信52的火药材料的燃烧连续通过输出装药60。输出装药60的爆炸释放热量、气体和/或固体微粒，它们被朝向能量传递装置引导，具体地为前部16和30的相应表面。由输出装药60产生的热气通过通道前段35引导，并经由通道后段37离开装置10。如上所述，构成装置插入件14的材料由于输出装药60释放的热量和气体而容易变形，而构成外壳12的材料更能抵抗由引信52的输出导致的变形。因此，当输出装药60发生爆炸时，引向插入件14的能量、热气和/或固体会导致插入件前部30发生变形。这种变形如图5所示。

特别地，初始为平面的前部30的表面84发生变形，从而缩小了通道前段35的直径，并在其中产生颈缩86。在一个示例性实施例中，通道前段35具有0.094英寸的初始直径。引爆输出的典型的环境温度延时引信使插入材料发生变形，以使通道前段的直径减小至约0.040-0.050英寸。时间延迟引信的输出在升高的温度下在凹痕测试钢块上产生深于25％的凹痕，还使插入口直径减少至0.030-0.039英寸。在延时引信输出的作用下，根据爆炸的强度，通道开口面积的减少为3.5至9.8倍之间。在使用时和通过供体引爆装置(例如引信52)起作用时，插入件14的变形/凹痕吸收一部分的爆炸能量。当用于接近能使钢产生凹痕的起爆输出时，插入件14的几何形状和材料特性使通道前段35部分封闭。已经发现强烈的爆炸造成更大的变形，从而使通道前段35关闭至更小的直径，并进一步限制了爆炸的影响，同时仍然允许足够的点火气体和颗粒通过。因此，这个动作是根据供体引爆装置的能量输出水平而自行调节的。

在通道前段35的颈缩86允许来自输出装药60(例如来自HNS-II、叠氮化物输出能量和输出引发剂能量、热金属碎片、熔融金属和熔渣的爆炸压力和热量的组合)的压力经过更长的时间被释放。来自HNS-II的变形产生圆锥形的压痕，其经常在表面84变形后由熔渣覆盖。HNS-II的爆炸通常只留下黑色烟灰，因而，在某些实施例中，在插入件14上的和在插入件14中的可见的熔渣表示气体和固体在爆炸的初始冲击后通过通道34的流动。

装置10的两部分结构允许外壳12通过简单地更换插入件14是可再用的。通道后段37可具有比通道前段35更大的初始直径。更大直径的段37作为可再生的通道，以确保工具的磨损不影响性能，并确保直径和同心度受到控制。应该注意的是，最靠近下一个延时输入端的区域通常也膨胀，并且如果他是可重复使用的工具的一部分，那么将是一个磨损点。

有输出装药60产生的能量、气体和/或固体产物随后通过通道34朝向引信78传送。当插入件14的后表面88发生反应，热气体和/或固体直接被集中于引信78的起爆器56上并确保其点燃。因此，装置10有效地和可靠地将引信52的输出传递至引信78，并确保由点火头48开始的连续点燃继续进行。然后将引信78的输出装药60通过另一个传递部分72至端部区域82的连接而传递至另一个引信，或另一类型的火药装置，例如另一个点火头或可用于引爆作业中的爆炸装药。

Claims (30)

1.一种能量传递装置，配置为传递从第一火药装置输出到第二火药装置的能量，用于启动第二火药装置的点火，所述能量传递装置包括：

金属主体，包括前部和后部，前部配置为与第一火药装置相邻放置，后部配置为与第二火药装置相邻放置，

所述金属主体还包括穿过其延伸的轴向通道，所述通道包括第一段和第二段，第一段延伸穿过所述主体的前部，第二段延伸穿过所述主体的后部，

所述主体的前部能借助从第一火药装置输出的能量而变形，使得所述通道第一段的直径变窄，从而在所述通道中形成颈缩。

2.根据权利要求1所述的能量传递装置，其中所述主体的前部和后部大体上是圆柱形，所述前部具有比所述后部更大的外径。

3.根据权利要求1所述的能量传递装置，其中所述通道第一段具有直径，在变形之前，该直径小于所述通道第二段的直径。

4.根据权利要求1所述的能量传递装置，其中所述能量传递装置不包括任何火药材料。

5.根据权利要求1所述的能量传递装置，其中所述通道第一段具有长度，其小于所述通道后部的长度。

6.根据权利要求1所述的能量传递装置，其中所述主体的前部包括前面，配置为与第一火药装置相邻放置，以便接收来自第一火药装置的输出，所述前面能借助从第一火药装置输出的能量而变形，以形成所述颈缩。

7.根据权利要求6所述的能量传递装置，其中所述前面在变形之前基本上是平面。

8.一种能量传递装置，配置为传递从第一火药装置输出到第二火药装置的能量，用于启动第二火药装置的点火，所述能量传递装置包括：

装置外壳，包括延伸穿过其中的中心孔，所述外壳包括外壳前部和外壳后部；和

装置插入件，由所述外壳支撑在所述孔中，所述插入件包括插入件前部和插入件后部以及延伸穿过其中的轴向通道，

所述外壳前部和所述插入件前部配置为邻近并面向第一火药装置放置，以及所述外壳后部和所述插入件后部配置为邻近并面向第二火药装置放置，

所述插入件前部能借助从第一火药装置输出的能量而变形，从而在所述通道中形成颈缩。

9.根据权利要求8所述的能量传递装置，其中所述外壳前部和后部大体上是圆柱形，所述外壳前部具有比所述外壳后部更大的直径。

10.根据权利要求8所述的能量传递装置，其中所述外壳前部包括带螺纹的外表面。

11.根据权利要求8所述的能量传递装置，其中所述插入件前部和后部大体上是圆柱形，所述插入件前部具有比所述插入件后部更大的外径。

12.根据权利要求8所述的能量传递装置，其中所述通道包括第一段和第二段，第一段延伸穿过所述插入件前部，第二段延伸穿过所述插入件后部，所述第一段具有内径，在变形之前，其小于所述通道第二段的内径。

13.根据权利要求12所述的能量传递装置，其中所述通道第一段具有小于所述通道后部的长度的长度。

14.根据权利要求8所述的能量传递装置，其中所述能量传递装置不包括任何火药材料。

15.根据权利要求8所述的能量传递装置，其中所述插入件前部包括前面，配置为与第一火药装置相邻放置，以便接收来自第一火药装置的输出，所述前面能借助从第一火药装置输出的能量而变形，以形成所述颈缩。

16.根据权利要求15所述的能量传递装置，其中所述前面在变形之前基本上是平面。

17.根据权利要求15所述的能量传递装置，其中所述通道将由第一火药装置产生的气体和/或固体传导通过所述能量传递装置。

18.一种用于在井下传送火药装药的工具，包括：

延时引信；和

能量传递装置，包括：

装置外壳，包括延伸穿过其中的中心孔，所述外壳包括外壳前部和外壳后部；和

装置插入件，由所述外壳支撑在所述孔中，所述插入件包括插入件前部和插入件后部以及延伸穿过其中的轴向通道，所述插入件前部能借助从第一火药装置输出的能量而变形，从而在所述通道中形成颈缩。

19.根据权利要求18所述的工具，其中所述延时引信与所述装置外壳的后部相邻放置。

20.根据权利要求19所述的工具，其中所述工具是点火头，可操作地点燃火药装药。

21.根据权利要求18所述的工具，其中所述延时引信用作第一火药装置，并负责所述插入件前部的变形。

22.根据权利要求18所述的工具，其中所述延时引信与所述装置外壳的前部相邻放置。

23.根据权利要求22所述的工具，其中所述工具包括第二延时引信，与所述装置外壳的后部相邻放置。

24.根据权利要求18所述的工具，其中所述工具配置为可与管柱或其他井下工具相连接。

25.一种点燃井下火药装药的方法，包括：

提供第一火药装置、能量传递装置和第二火药装置，所述能量传递装置包括金属主体，其具有前部、后部和延伸穿过其中的轴向通道；

点燃所述第一火药装置以引爆输出装药；

将所述输出装药引爆的至少一部分能量通过所述轴向通道引向所述第二火药装置，从而点燃所述第二火药装置，

其中，所述输出装药使所述能量传递装置前部的至少一部分发生变形，导致在所述通道中形成颈缩。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述第一火药装置包括第一延时引信。

27.根据权利要求25所述的方法，其中所述第二火药装置包括可爆炸的装药。

28.根据权利要求25所述的方法，其中所述第二火药装置包括第二延时引信。

29.根据权利要求25所述的方法，其中所述第一火药装置包括点火头。

30.根据权利要求25所述的方法，其中所述输出装药导致产生热气体和/或固体材料，将其至少一部分通过所述通道和所述颈缩引向所述第二火药装置。