高温启爆器的制作方法

本申请要求2016年9月23日提交的美国临时申请号62/398,587和2016年5月9日提交的美国临时申请号62/333,760的权益，所述临时申请以引用的方式整体并入本文。

一般描述了一种被配置用于启爆的使用方法和装置，该装置被配置用于长时间的高温应用。

背景技术：

目前在石油和天然气工业中，各种启爆器，例如机械启爆器(包括压力启爆器)和电子或电启爆器在爆炸序列开始时用于射孔枪组件。现有技术的撞击启爆器使用叠氮化铅、叠氮化银、2-(5-氯四氮唑)-五胺钴(iii)二高氯酸盐(clcp)或其混合物作为一级炸药，其启爆像六硝基二苯乙烯(hns)的二级炸药。如果使用叠氮化铅，这种爆炸材料的组合能够在高达约260℃的温度下有效地启爆射孔枪组件约1至2小时，并且当使用含有叠氮化银的混合物时，在高达约220℃的温度下持续约200小时。不幸的是，随着越来越多的海上钻井正在进行，井变得越来越深并且越来越热，因此目前可用的启爆器不能承受增加的时间和温度要求。

目前的爆炸材料不仅无法长时间在高温下保持其爆炸效力，而且由于这类现有的一级炸药(特别是叠氮化铅和叠氮化银)的有害环境影响，还有减少使用它们的趋势。由于特别是在使用过程中的这些材料的高挥发性和高毒性，它们通常需要工人采取更多的预防措施，以降低制造过程中不希望的爆炸和暴露的风险。

虽然2,6-双(苦基氨基)-3,5-二硝基吡啶(pyx)已经在现有射孔枪组件中成功地用于传爆药和导爆索中(例如，参见图5)，但它不被认为适合于在启爆器中使用，至少部分是因为它被认为对启爆不敏感。也就是说，与例如hns和其他二级炸药相比，已知pyx非常难以启爆。此外，虽然已知5-硝基亚氨基四唑钡(bax)比现有已知的爆炸材料具有改善的热稳定性，但它通常被认为是不适合用于启爆器的材料。

鉴于目前可利用的用于启爆射孔枪组件的方法和装置相关的缺点，需要一种装置和方法，其提供用于启爆器的爆炸材料的组合，所述爆炸材料的组合能够长时间地承受高温应用，不会损害启爆炸药的输出量和能力。此外，需要一种装置和方法，其提供用于启爆器的材料的组合，所述材料的组合具有降低的爆炸风险和降低的毒性水平，特别是在启爆器的制造期间。

技术实现要素：

根据一个方面，本发明的实施方案可以与使用启爆器的装置和方法相关联，所述启爆器包括被配置来接收包含5-硝基亚氨基四唑钡(bax)的至少一种炸药的主体。根据另一方面，启爆器的主体被配置来接收至少两层炸药。在该实施方案中，炸药层包括5-硝基亚氨基四唑钡(bax)的一级炸药，并且二级炸药包括2,6-双(苦基氨基)-3,5-二硝基吡啶(pyx)和/或六硝基二苯乙烯(hns)。

附图简述

更具体的描述将通过参考其在附图中示出的特定实施方案呈现。应理解，这些附图仅描绘其典型实施方案并且因此不应被理解为限制其范围，示例性实施方案将通过使用附图利用另外专一性和细节进行描述和解释，在附图中：

图1a是根据一个实施方案的组装的撞击启爆器的透视图；

图1b是图1a的撞击启爆器的透视图，以未组装的方式示出了撞击启爆器；

图2是根据一个实施方案的图1a的组装的启爆器的横截面侧视图；

图3是根据一个实施方案的电子启爆器的横截面侧视图；

图4是根据替代实施方案的撞击启爆器的横截面侧视图；

图5a是根据一个实施方案的包括撞击启爆器的管道输送射孔枪组件的局部横截面侧视图；

图5b是根据一个实施方案的图5a的管道输送射孔枪组件中使用的撞击启爆器的透视图；

图5c是用于图5a的管道输送射孔枪组件的实施方案中的导爆索的一端的透视图；

图6是启爆器中使用的各种一级和二级炸药的典型温度稳定性的图示；和

图7是爆炸之前和之后的撞击启爆器的端视图。

实施方案的各种特征、方面和优点将从以下详述以及附图变得更加显而易见，其中贯穿附图和文本相同数字表示相同部件。各种所描述的特征未必按比例绘制，而是出于突出与一些实施方案相关的具体特征来绘制。

具体实施方式

现在将对各种实施方案进行详细参考。每个实例通过解释的方式提供，并且不意味着限制并且不构成对所有可能实施方案的限定。

为了说明实施方案的特征，现在将在整个公开内容中介绍和引用简单的实例。本领域技术人员将认识到，这些实例是说明性的而不是限制性的，并且纯粹出于说明目的而提供。在说明性实例中并且如图1-4所示，描绘根据一个实施方案的启爆器10。在其最广泛的实施方案中，启爆器10包括主体12，主体12被配置来接收包括5-硝基亚氨基四唑钡(bax)的至少一种炸药。根据一个方面并且如图2-4所示，主体12配置成用于接收至少两层炸药。在该实施方案中，炸药层包括一级炸药40和二级炸药42，一级炸药40包括5-硝基亚氨基四唑钡(bax)，而二级炸药42包括2,6-双(苦基氨基)-3,5-二硝基吡啶(pyx)和/或六硝基二苯乙烯(hns)。进一步预期可以使用二级炸药42的混合物，并且特别地，可以将bax和pyx混合，以及将pyx和hns混合来用作二级炸药42。例如，二级炸药42可包括bax/pyx或pyx/hns或bax/pyx/nhs的混合物。

在一个实施方案中，bax将以约150-250mg，或大于约150mg至约220mg，或约200-250mg的量存在于启爆器10中，而pyx将以约240-325mg，或约240-300mg，或约240mg-260mg的量存在。增加pyx的量(相对于bax的量)将导致更多的输出能量，这将提供更安全的性能和稍微更好的温度等级。如果使用hns代替pyx或与pyx混合使用，则认为可以使用类似的量(即，约240-325mg总量的二级炸药)。

启爆器10的特别有利之处在于它能够长时间地经受高温应用，而不会不利地影响启爆的能力(例如，如在射孔枪组件中发现的情况)。根据一个方面，启爆器10能够承受至少高达约290℃的温度至少约2小时，约250℃至少约100小时，约250℃至少约200小时，约250℃至少约250小时，和/或约300℃至少约1小时，而不显著影响启爆器的性能。

虽然有多种方法来测量启爆器的整体性能，并且如下文将更详细地论述，一个有用的参数是测量启爆之后的二级孔36的输出孔直径(例如，参见图7，并且如下文更详细讨论)。确定启爆有效性的另一个有用特性是测量以米/秒为单位测量的爆炸速度(vod)，即冲击波前沿穿过所引爆炸药的速度，如本领域普通技术人员所理解的那样。因此，可以针对每个测试的时间/温度参数来计算vod的减少(或损失)百分比。

特别参考图1-3并且根据一个方面，启爆器10被配置为撞击启爆器并且包括两部分圆柱形主体。上主体20包括上表面21和下表面22，主体在它们之间延伸，并且由多阶梯周边23(图1-2)或非阶梯(或光滑)周边23(图3)限定。根据一个方面，多阶梯周边23被配置成在尺寸和形状上适应特定射孔枪组件100(图5)的特定承座配置/布置需要。因此，密封构件25可以沿着周边23定位，以在定位在射孔枪组件100内时将启爆器10与流体密封和/或隔离。如本文所示，上表面20包括位于上主体20的上表面21中心的凹陷或凹坑24，并且它被配置成用于接收击发机构。根据一个实施方案，上主体20的下表面22还包括阶梯表面，下表面22的中心部分与上表面21中的凹陷24相对地定位。根据图3所示的实施方案，上主体20提供位于上主体20的下表面22中心的凹陷24。在该实施方案中，凹陷24在上主体20的上表面21和上主体20的下表面22之间提供减小的厚度，但是还可以提供被配置成接收炸药的凹陷区域，如下更详细地论述。

如图1-3所示，下主体30还包括上表面31和下表面32，主体在它们之间延伸。如例如在图2中所见，下主体30可包括一个或多个密封构件38，使得当放入射孔枪组件100(图5)时，密封构件38通常与位于上主体20的周边上的一个或多个密封构件25一起协作，使爆炸材料与射孔枪组件100中的流体隔离(图5)。

下主体30包括延伸穿过主体30的长度的一个或多个孔。特别参考图1-2，下主体30包括从下主体30的上表面31在下主体30内中心延伸的上凹陷部分34和从下主体30的下表面32在下主体30内中心延伸的下凹陷部分41。至少两个一级孔35从凹陷部分34延伸。如本文所示，两个一级孔35与下主体30的中心轴线等距地间隔开。二级孔36从一级孔35延伸并且也位于下主体30的中心。根据一个方面并且如图2所示，在一级孔35下方延伸的孔可包括二级孔36和中间孔39。或者，二级孔36可以沿着下主体30的整个主体延伸，跨越上表面31和下表面32之间，并且各种炸药层可以定位在同一孔的各个区域内。(参见，例如，图3)。在这样的实施方案中，孔可包括上孔部分36a和下孔部分36b。再次参考图2，下凹陷部分41通常从二级孔36延伸到下主体30的下表面32。因此，下凹陷部分41从下主体30的下表面32在下主体30内中心延伸。如图2所示，下凹陷部分41的尺寸可以大于二级孔32，而应该理解的是，下凹陷部分41的尺寸可以小于或等于二级孔32(参见，例如，图3)。

根据一个方面，爆炸材料40、42放置在下主体30的孔内，而在替代实施方案中，爆炸材料40也可以放置在形成于上主体20的下表面24中的凹陷中，如图3所示。再次转到图2并且根据一个方面，将一级炸药40放入上凹陷部分34和一级孔35中，并将二级炸药42放入二级孔36中。如该实施方案所示，根据一个方面，与二级孔36具有相同直径的中间孔39填充有一级炸药40。

一旦爆炸材料40、42放置在启爆器10内，翼盘37可定位在下凹陷部分41(图2)或二级孔36(图3)内，以将二级炸药42保持在二级孔36内。由于bax不是疏水性的，因此可能需要提供某种密封以确保启爆器具有防潮性。根据一个方面，启爆器10还包括施加到启爆器10外部的高温漆(未示出)，以使启爆器10气密地密封以防潮。在一个实施方案中，高温漆被施加到翼盘37的外表面和二级孔36的任何暴露部分，以使启爆器10气密地密封以防潮。根据一个方面，翼盘37通过焊接工艺(例如激光焊接)连接到启爆器10的外部。翼盘37可以激光焊接在下凹陷部分41或二级孔36内，这可以帮助气密地密封启爆器以防潮。

在组装时，启爆器10包括附接或连接到下主体30的上主体20，使用激光焊接(未示出)等将主体密封在一起。因此，当组装并如图2所示，在上主体20的上表面21中发现的凹陷24与下主体30的凹陷部分34、41和孔36、39对准，从而将二级炸药42的一级炸药40对准，使得施加到凹陷24的机械触发传递启爆一级炸药40所需的撞击力，所述一级炸药40又启爆二级炸药42。类似的布置可以在图3中找到。

根据一个方面，启爆器10由触发器14(参见，例如，图1)启爆，例如电子触发器和机械触发器。尽管没有详细示出，但是如本领域普通技术人员将理解的，当触发器14是电触发器时，通常施加电流以触发熔丝头或桥接线52(例如，参见如图4所示)，当触发器14是机械触发器时，通过诸如图2-3中所示的撞击装置的机械机构来启爆。这种撞击装置通常包括击发机构(未示出)，例如撞针，其通常提供撞击以启爆炸药。虽然应认识到使用根据当前提出的启爆器中发现的当前温度等级来设定功率的熔丝头或桥接线，典型的电子启爆器可能无法制成，但是如本领域普通技术人员所理解的，这种材料能够被增强。

根据又一方面，还公开了使用上文描述的各种启爆器10的方法。因此，一旦提供了启爆器10，它就可以定位在射孔枪组件100内，例如管道输送的射孔枪。射孔枪定位在井筒中，但不需要立即使用，只要不损害启爆器的完整性或有效性。存在可能需要井操作员将射孔枪组件100定位在井筒内长时间的无数种情况，包括恶劣天气、罢工或其他情有可原的情况。因此，启爆器10可以长时间经受升高的温度，如上文详细描述的。然而，当随后启爆启爆器10时，一级炸药40保持其启爆能力，从而启爆二级炸药42，而不会使爆炸速度降低超过约10％。

本文还描述了一种组装电子和机械启爆器10的方法，该电子和机械启爆器10能够长时间承受高温而不会显著影响启爆器10的性能。根据一个方面，电子或电启爆器10包括主体12，主体12具有与一级孔35和二级孔36对准的熔丝头或桥接线52；将一级炸药40放入一级孔35中，将二级炸药42放入二级孔36中；一级炸药40与二级炸药42对准；熔丝头或桥接线52定位成与一级炸药40处于协作关系，使得熔丝头或桥接线52的启爆得以启爆一级炸药40，并且一级炸药40启爆二级炸药42。

根据另一方面，机械启爆器10包括能够机械地触发启爆器10的击发机构。在该实施方案中，爆炸材料40,42放置在凹陷部分34、41和/或孔35、36、39内；上主体20连接到下主体30，以使得在上主体20中形成的凹陷24与一个或多个爆炸材料40、42对准，并如上所述地配置；并且击发机构朝凹陷24中击发得以启爆一级炸药40，并且一级炸药40启爆二级炸药42。

实施例

制造图2中发现的启爆器10的多个实施方案，其中约220mgbax作为两个一级孔35和中间孔39中的一级炸药40，而使用240mgpyx作为二级孔36中的二级炸药42。在实施例中使用与先前量的叠氮化铅相比增加量的bax。通常，bax的使用量等于叠氮化铅的量的约3至约4倍的倍数。由于bax的密度仅略低于叠氮化铅，因此这些增加的量导致体积增加约3至4倍(因此扩大了孔径)，但是相对于增加的材料成本，使用足量的bax可以利用bax带来的热稳定性好处，因此导致如本文所述的整个启爆器的温度/时间稳定性的改善。

如表1所示，在不同的时间间隔在苛刻的温度条件(至少约250℃)下测试启爆器，并测量输出孔直径(以英寸为单位)和爆炸速度(以米/秒为单位)。计算每个时间/温度参数下的vod减少百分比。表1中记录了平均(对于多个启爆器)测量值。发现爆炸速度没有降低超过约20％。

表1

从表中可以看出，随着时间的增加，弹道能量输出(通过减小的输出孔直径显示)减小，以至于按照实例6，输出(由输出孔直径测量)仅略微大于初始孔直径(0.2英寸对0.210英寸)，这意味着这些启爆器在250℃的温度下250小时的有用性至少已经开始超过有效性，而将温度降低到230℃持续250小时仍然有效。参考图6，上述测试样品(3、5和7-显示为星形)的温度/时间稳定性的图形表示覆盖在现有技术的各种爆炸材料的典型温度/时间稳定性图表上，相对于目前在启爆器中使用的各种一级和二级炸药的现有组合，显示出显著的改进。

再次转到图7，描绘了三个撞击启爆器10的下表面的端视图。如本文所示，在最右边的图片上示出了未装载(用爆炸材料填充前)的视图，示出了0.2英寸的标称孔直径。在如以上实施例中所述填充每个启爆器之后，中间图片描绘了在环境温度下装弹之后的启爆器10。如上表1所示，输出孔直径36测量为0.252英寸。最左边的图片描绘了在290℃下经受2小时后的撞击启爆器10。如上表1所示，输出孔直径36测量为0.248英寸。因此，即使如本文所述制备的启爆器在延长的时间段内经受异常高的温度，输出孔直径也受到最小的影响，表明启爆器的输出没有受到不利影响。

所示设备的部件不限制于本文所述的特定实施方案，而是，示出或描述为一个实施方案的部分的特征可在其他实施方案上使用或者结合其他实施方案使用以便产生另一个实施方案。旨在所述设备包括此类修改和变化。此外，在所述方法中描述的步骤可独立并且与本文所述的其他步骤分开使用。

虽然已经参考具体实施方案描述了设备和方法，但是本领域技术人员将理解，在不背离所设想范围的情况下，可做出各种改变并且可使用等效物来替代其要素。另外，在不背离本文的基本范围的情况下，可做出许多修改来使具体情况或材料适应本文发现的教义。

在本说明书和随后权利要求书中，将提及具有以下含义的许多术语。除非上下文明确地另外规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数指示物。此外，对“一个实施方案”、“一些实施方案”、“一种实施方案”等的引用并不意图解释为排除同样包含所述特征的另外实施方案的存在。如本说明书和权利要求书中通篇所使用的近似语言可用于修饰可允许变化而不造成与其相关的基本功能的改变的任何定量表达。因此，由诸如“约”的术语修饰的值不限于所指定的精确值。在某些情况下，近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精度。诸如“第一”、“第二”、“上部”、“下部”等的术语用于识别一个要素与另一个要素，并且除非另外指定，否则不意图指要素的特定顺序、定向或数量。

如本文所用，术语“可”和“可以是”指示在一组情况内发生的可能性；指定特性、特征或功能的拥有；和/或通过表达与所限定动词相关联的能力、本领或可能性中的一个或多个使另一个动词合格。因此，“可”和“可以是”的使用指示所修改术语明显地适当、能够或适于所指示能力、功能或使用，同时考虑在一些情况下，所修改术语有时可能不适当、能够或合适。例如，在一些情况下，可预期事件或能力，而在其他情况下，所述事件或能力不能发生--此区别由术语“可”和“可以是”获得。

如权利要求书中所用，词语“包括”和它的语法变体逻辑上也对向并包括变化和不同程度的短语，例如像但不限于“基本上由...组成”和“由...组成”。必要时，提供范围并且那些范围包括其间所有的子范围。预期这些范围的变化将是本领域的普通技术人员能够想到的，并且在尚未提供给公众的情况下，所附权利要求书应涵盖这些变化。

科学技术的进步可使得等效物和替换物成为可能，所述等效物和替换物因语言的不精确现在未被设想；这些变化应被所附的权利要求书涵盖。本书面的说明书使用实例来公开方法、装置和机器，包括最佳模式，同时也让本领域的任何普通技术人员能够实践这些方法、装置和机器，包括制造和使用任何装置或系统，并且执行任何包含的方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包含本领域普通技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。