Archives of Mining Sciences 52, Issue 1 (2007) 121–133

Archives of Mining Sciences 52, Issue 1 (2007) 121–133
121
BOGDAN ZYGMUNT*, ZENON WILK**
THE RESEARCH OF SHAPED CHARGES WITH POWDER LINERS FOR GEOLOGICAL
BOREHOLE PERFORATION
BADANIA ŁADUNKÓW KUMULACYJNYCH Z WKŁADKAMI PROSZKOWYMI DO PERFORACJI
ODWIERTÓW GEOLOGICZNYCH
The characteristics of shaped charges with metal powder liners for perforating of borehole pipes
are described. Liners were manufactured using metalic powder technology. Two type of powder liners
were made: a homogeneous one made of copper powder and a heavy one made of copper and tungsten
powder composition. X-ray pulse technique was applied to research the process of jet stream formation.
Radiograms revealed the discontinuous structure of jets formed from powder liners. The corresponding
computer simulations of jets formation are presented.
Keywords: borehole perforation, shaped charges, powder liners
Górnictwo nafty i gazu jest jedną z dziedzin gospodarki, w której ukierunkowana energia detonacji
materiału wybuchowego (MW) jest wykorzystywana powszechnie w celu wykonania użytecznej pracy.
Wkrótce po II wojnie światowej, doświadczenia uzyskane w konstrukcji przeciwpancernych ładunków
kumulacyjnych (ŁK) zostały wykorzystane w USA do perforacji odwiertów naftowych. Opracowano
i wypróbowano różnego rodzaju systemy perforacji oraz inne środki strzałowe z ładunkami kumulacyjnymi
służącymi m. in., do obcinania rur okładzinowych, wykonywania szczelin wzdłużnych lub do usuwania
twardych przeszkód w czasie wiercenia otworów. Perforacja kumulacyjna polega na utworzeniu kanałów
perforacyjnych za pomocą strumieni kumulacyjnych wytworzonych przez odpowiednio rozmieszczone
wewnątrz rur okładzinowych odwiertu małogabarytowe ładunki kumulacyjne (rys. 1). Technika perforacji
kumulacyjnej jest obecnie powszechnie stosowaną metodą uzyskiwania połączenia pomiędzy złożem
i otworem geologicznym.
Zjawisko kumulacji wybuchowej polega na ukierunkowaniu energii produktów detonacji generowanych przez ładunek materiału wybuchowego posiadający symetryczne wydrążenie zamknięte warstwą
metalu, zwykle miedzi lub żelaza (rys. 2). Koncentracja energii produktów detonacji ma miejsce w osi
wydrążenia, gdzie w trakcie detonacji ładunku kumulacyjnego następuje dynamiczne zgniecenie metalowej
*
**
WAT MILITARY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, UL. KALISKIEGO 2, 00-908 WARSZAWA, POLAND; e-mail: [email protected]
INSTITUTE OF INDUSTRIAL ORGANIC CHEMISTRY, UL. ANNOPOL 6, 03-236 WARSZAWA – UL. ZAWADZKIEGO 1,
42-693 KRUPSKI MŁYN, POLAND
122
wkładki. W wyniku zderzenia elementów wkładki następuje uformowanie strumienia kumulacyjnego o
prędkości 6-8 km/s, który w zderzeniu z przeszkodą wywołuje silny efekt erozji ośrodka i wydrążenie
głębokiego otworu. Strumień kumulacyjny stanowi mniejszą część masy wkładki, pozostała część wkładki
tworzy zbitkę, która poruszając się z mniejszą prędkością w ślad za strumieniem kumulacyjnym nie wpływa na głębokość przebicia. Z praktycznego punktu widzenia zbitka stanowi bezużyteczny balast i często
wpływa szkodliwie na efekt kumulacyjny, np. czopując otwór wydrążony przez strumień kumulacyjny.
Wymagania, które powinny spełniać ŁK do perforacji orurowań odwiertu geologicznego są radykalnie
odmienne od wymagań stawianych ŁK stosowanym w technice wojskowej, ze względu na radykalnie
odmienne warunki zewnętrzne ich stosowania Odwiert zwykle wypełniony jest cieczą (płuczką) o gęstości
powyżej 1 g/cm3. Na głębokości kilku tysięcy metrów ciśnienie wynosi kilkadziesiąt MPa, temperatura
znacznie przekraczać może 100°C. Średnica wewnętrzna rur okładzinowych odwiertu geologicznego
lub rurek wydobywczych z reguły ogranicza wymiary gabarytowe ładunku (średnica i wysokość) do
kilkudziesięciu milimetrów. Mając na uwadze ochronę konstrukcji otworu wiertniczego, dodatkowym
ograniczeniem zwiększenia zdolności przebicia przeszkody przez strumień kumulacyjny jest konieczność
zminimalizowania masy MW w ładunku. Szczególnie istotnym i specyficznym dla perforacji odwiertów
wymaganiem jest warunek, aby tworząca się zbitka kumulacyjna nie czopowała utworzonego przez strumień kumulacyjny kanału perforacyjnego, co było powszechną wadą dotychczas stosowanych ŁK.
W niniejszej pracy przedstawiono propozycje konstrukcji oraz właściwości ŁK do efektywnej perforacji z nowym rodzajem wkładek kumulacyjnych wykonanych technologią metalurgii proszków.
Dla wybranej do badań konstrukcji ładunku wykonano proszkowe wkładki kumulacyjne jednakowego kształtu (rys. 3) o średnicy podstawy 33,3 mm i kącie wierzchołkowym 45°, różniące się rodzajem
materiału, masą, gęstością oraz grubością ścianek.
Wkładki kumulacyjne zastosowane w konstrukcji ŁK badanych w niniejszej pracy wykonano metodą
prasowania matrycowego z proszków miedzi elektrolitycznej (ECu) oraz z mieszaniny proszku miedzi
i proszku metalu o wysokiej gęstości np. wolframu (Ecu/W). W zależności od założonych wymagań,
otrzymane wkładki kumulacyjne podlegały dalszym operacjom np. spiekaniu oraz obróbce termicznej
i mechanicznej.
Jako wzorzec odniesienia do badania właściwości ŁK z nowymi wkładkami służyła tradycyjna wkładka
wytłoczona z litej miedzi, powodująca omówiony we wstępie niekorzystny efekt czopowania otworów.
Drugi rodzaj badanych wkładek wykonano z proszku miedzi, a trzeci z równowagowej mieszaniny proszku
miedzi i wolframu. Duży udział proszku wolframu spowodował wzrost gęstości wkładki o prawie połowę,
w porównaniu z gęstością wkładki wykonanej z proszku miedzi. Zaproponowano również wkładkę o budowie warstwowej charakteryzującej się znaczną różnicą gęstości obu warstw – wewnętrznej (z proszku
ECu/W) i zewnętrznej (z proszku ECu).
Dla każdego z rodzajów badanych wkładek proszkowych przeprowadzono badania optymalizacyjne
dotyczące ich masy, którą zmieniano regulując grubość ścianki wkładki. Jako kryterium optymalizacji
przyjęto maksymalizację podstawowego parametru ŁK jakim była wartość przebicia stalowej przegrody.
W tablicy 1 zamieszczono podstawowe dane charakteryzujące zastosowane w badanych ŁK proszkowe wkładki kumulacyjne w porównaniu z właściwościami wkładki wykonanej z litej miedzi. Wkładki
spiekane z proszków charakteryzowały się większą masą oraz grubszą ścianką w porównaniu z wkładką
wykonaną z litej miedzi.
Do badania właściwości strumieni kumulacyjnych wytwarzanych w procesie detonacji ładunków
z różnymi wkładkami zastosowano sprawdzony w praktyce układ kumulacyjny (rys. 4). Materiałem
wybuchowym (MW) zastosowanym do elaboracji ŁK był opracowany przez autorów niniejszej pracy
heksoflen (heksogen drobnokrystaliczny flegmatyzowany tworzywem fluoropolimerowym). Ładunki
prasowano w temperaturze otoczenia pod ciśnieniem 250 MPa. Gęstość zaprasowanego MW w ładunku
wynosiła 1,74 g/cm3.
Strumienie kumulacyjne wytwarzane przez ŁK z różnymi rodzajami wkładek badano za pomocą diagnostyki rentgenografii impulsowej. Dzięki krótkiemu czasowi ekspozycji, rzędu 10–8 sekundy, technika ta
umożliwia fotografowanie procesu formowania i lotu strumienia kumulacyjnego poruszającego się z prędkością rzędu 105 m/s. Najwyższą prędkość czoła strumienia kumulacyjnego (7500 m/s) zaobserwowano
dla ładunku z wkładką wykonaną z litej miedzi (rys. 5). Wkładki z proszku miedzi generują strumienie
kumulacyjne poruszające się z prędkością o 300 m/s mniejszą (rys. 6). Strumień kumulacyjny z wkładki
proszkowej o zwiększonej gęstości (Cu/W), porusza się z prędkością poniżej 7000 m/s (rys. 7), jednak
z uwagi na wysoką gęstość strumienia, zdolność przebijania metalowej przeszkody jest najwyższa.
123
Zdjęcia rentgenowskie strumieni kumulacyjnych wytworzonych z wkładek proszkowych ujawniają
typową jak dla strumieni pochodzących z wkładek litych zdolność do zwiększania swojej długości przy
zachowaniu ciągłości strumienia (rys. 6 i 7). Wkładka wykonana z mieszaniny proszku miedzi i wolframu,
metali różniących się znacznie gęstością, wytwarza regularny strumień kumulacyjny o wysokiej zdolności
przebijania przegrody, większej niż dla wkładki miedzianej, pomimo niższej prędkości czoła strumienia.
Wytworzony z wkładki proszkowej strumień kumulacyjny zachowuje dyskretną strukturę wyjściowego
materiału, co jest szczególnie wyraźne w powiększeniu (zdjęcie dolne na rys. 7). Strukturę taką posiada
również zbitka, co powoduje jej niską wytrzymałość mechaniczną, korzystną do zastosowania w perforacji
odwiertów geologicznych.
Wykonano również komputerową symulację procesu formowania strumienia kumulacyjnego dla obu
rodzajów zastosowanych wkładek kumulacyjnych – z litej miedzi oraz z proszku miedzi przy uwzględnieniu porowatości wkładki wykonanej z proszku (rys. 8). Symulacje komputerowe zjawiska kumulacji
wykazały dobrą zgodność wyników z danymi eksperymentalnymi.
Wyprodukowane według nowej technologii wkładki proszkowe charakteryzują się korzystnymi
właściwościami użytkowymi w porównaniu z wkładkami z litej miedzi wytworzonymi technologią
obróbki plastycznej.
Słowa kluczowe: perforacja odwiertów, ładunki kumulacyjne, wkładki proszkowe
1. Introduction
Modern geological exploration methods allow to locate deposits with a high degree
of probability. A well is drilled to a pre-determined depth on a site indicated by geologists. In parallel with the drilling, one or two concentric columns of steel pipes are
introduced into the well as so-called casing. The space between the casing and the well
or between two casings and the well is filled with fluid concrete which is introduced
under pressure in order to stabilize the borehole. After the drilling work is done, the
casings are perforated in order to make way for the outflow of oil or gas into the casing
and out to the ground surface.
The mining of oil and gas is one of the economy sectors where the directional energy
of explosive material detonation is commonly employed for useful work. Soon after
World War II, the experience gained from the design work on high-explosive anti-tank
(HEAT) munition was utilized in the USA for perforating oil wells. Perforation systems
of various types and other mining supplies employing shaped charges were developed to
be used inter alia to cut casings, make longitudinal cuts or remove hard obstacles when
drilling a well. Shaped charge perforation consists in creating perforation channels by
means of jets produced by shaped charges of small overall dimensions properly distributed inside well casings.
Perforation with shaped charges is currently a common method of making connection
between the deposit and the geological borehole. It is also used for uncovering other
deposits such as mineral water, geothermal resources or sulphur as the most cost-effective
method for the purpose. It is a technology employed to explore new resources, to make
available the already-known ones or to increase the output of a deposit being mined.
At the Fig. 1 the schedule of construction of two types of perforators (open and closed
system) located in a borehole are shown.
124
Production zone
Cement
Casing
Fluid (hydrostatic)
Shaped charge
Detonating cord
b) Perforation gun
open – system
a) Perforation gun
close – system
Fig. 1. Crossection of borehole pipe with a perforator inside
a) open system, b) close system
Rys. 1. Przekrój otworu wiertniczego z perforatorem kumulacyjnym:
a) w systemie zamkniętym, b) w systemie otwartym
In the case of shaped charges with a monolithic copper liner, a so-called slug is
produced in the formation process of the shaped charge jet. Its weight usually makes
the bigger part of the whole liner. The shaped charge jet causing penetration of the multilayer wall (steel, reinforced concrete, rock) of a geological borehole is produced from
the internal surface of the shaped charge liner during explosion of the shaped charge
(Fig. 2). The jet makes the lesser part of the liner’s weight while the remaining part of
the liner produces a slug which follows the shaped charge jet at a lesser velocity and has
no effect on the penetration depth. From the practical point of view, the slug is a useless
ballast and oftentimes adversely affects the shaped charge effect usually by clogging
the aperture hollowed by the jet.
Explosive
Shaped charge liner
Forward Jet
Slug
Case
Fig. 2. The idea of shaped charge action – the formation of cumulative jet from the liner
Rys. 2. Zasada działania ładunku kumulacyjnego – formowanie się strumienia kumulacyjnego
wkładki kumulacyjnej
125
This effect, unfavourable from the point of view of mining practice, has forced the
need to employ such liners in the shaped charges used in geophysical explorations that
will either not produce a massive slug or make it small and fragile. The first solutions
employed for liner production used metals with a low melting point, such as lead, tin
or zinc. Efforts were also made to use liners of metal powders or sinters, especially
sintered copper or zinc powders. The inner layer of such a liner, which changes into
shaped charge jet, was made of copper while the outer layer was made of low melting
temperature metal, e.g. zinc, lead, tin or bismuth.
Based on the division of shaped charge liner into slug and jet (Fig. 2), the authors
created the concept of a laminar liner design where a different type of material is used
for the generation of shaped charge jet and a different one for the formation of slug (Jach
et al., 2002). The existing literature on the subject provides numerous descriptions and
theoretical/experimental papers on press-moulded powder and laminar liners (Chanteret,
1995; Tie-Fu, 1996; Kupidura, 1998). However, those efforts do not involve the design
of laminar shaped charge liners obtainable by metal powder metallurgy technology.
This paper describes the experiences gathered in the designing of shaped charges for
effective perforation employing a new type of high density liners manufactured by powder
metallurgy technology. A homogenous heavy liner was manufactured from a blend of
copper and tungsten powders. The shaped charge jets produced by charges with various
liner types were researched by means of pulse X-ray diagnostics. In addition, computer
simulation of shaped charge jet formation process was made for copper powder liner
and for monolithic copper liner.
2. Requirements with respect to shaped charges
for borehole perforation
The requirements to be met by shaped charges for the perforation of geological
borehole casings are radically different from the requirements for shaped charges used
in military technology due to the radically different external conditions of application.
Any borehole is usually filled with drilling fluid of a density above 1 g/cm3. At a depth
of a few thousand meters the pressure is several dozens of MPa and the temperature may
well exceed 100°C. The inner diameters of lining casings or lifting casings restricts as
a rule the overall dimensions of the charge (diameter and height) to maximum several
dozens of millimetres.
Bearing in mind the necessity to preserve the borehole construction, it is necessary
to minimize the weight of explosive material, which is another limitation of the perforation capacity of shaped charge jet with respect to the obstacle. Due to the small
distance from the multilayer wall which is to be perforated, shaped charges are used in
geological boreholes in conditions much below the optimal ones as far as penetration
depth is concerned. Thus, it is of particular significance for the perforation effect (i.e.
126
sizes, quantity and orientation of perforation channels) and the related mining output
that the shaped charges used for perforating have a high efficiency in the conditions
found in the borehole.
In practice, the overall dimensions of shaped charges fit within a 30-80 mm bracket,
the explosive material weight is 7-40 g, the perforation density reaches 25 holes per
1 sqm of the borehole and the distance of the shaped charge from the wall is less than
one gauge. Moreover, the shaped charge design characterized by limited dimensions and
reduced weight of explosive is not conducive to creating good conditions for sufficiently
strong and reliable initiation of the explosive material.
A particularly significant and specific requirement in the perforation of boreholes is
that the generated shaped charge slug does not clog the perforation channel produced
by shaped charge jet, which is a common defect of the shaped charges used heretofore.
It happened in the past that as much as 30% of the perforations were clogged by slug.
This carries the risk of drawing false conclusions about the yield of a mineral liquid or
gas resource.
3. Manufacture technology of powder liner shaped charges
The liners used in the shaped charges investigated herein were manufactured by the
matrix press moulding of electrolytic copper powder (ECu) and a blend of copper powder and high-density metal powder, such as tungsten (ECu/W). Depending on the input
requirements, the shaped charge liners obtained were subjected to further processing,
such as sintering and heat treatment/machining.
The precision of the final product shape is determined by the manufacture accuracy
of the matrices and the technological process parameters. To obtain a product of required shape accuracy, especially as regards axial symmetry or thickness and density of
the liner, the feeding method of metal powder is particularly important. The traditional
press-moulding method is used to obtain typical shaped charge liners with a large conical angle and relatively thick walls. Inverted press-moulding should be used to obtain
liners with small conical angles and thin walls. Inverted matrix press-moulding enables
also precise manufacturing of laminar liners. The final operation is the low temperature
sintering of liners in a protective atmosphere. The symmetry and homogeneity of powder
liners was assessed on a spinning table workstation and by measuring the liner’s web
thickness at pre-determined measurement points.
Some shaped charge powder liners were manufactured for the charge design selected for the investigations. The liners were of the same shape, their base diameter was
33.3 mm and the apex angle was 45°. They differed with respect to material type, weight,
density and web thickness. Fig. 3 shows the shaped charge liners manufactured for the
investigation from monolithic copper, sintered from copper powder (ECu), and from
powder blend of increased density (ECu/W).
127
1
2
3
4
Fig. 3. Shaped charges and powder liners applied in the research; on the top – charge with pressed
high explosive and two charges with fixed liners, below – liners used in experiments: made of copper
M1E (1), of copper powder ECu (2), made of the copper/tungsten powder mixture (3 and 4)
Rys. 3. Ładunki kumulacyjne i proszkowe wkładki wykonane do badań; górny rząd – ładunek po zaprasowaniu MW przed zamontowaniem wkładki oraz dwa gotowe ładunki pokazane z różnych stron;
dolny rząd – wkładki kumulacyjne wykonane do badań: z miedzi M1E (1),
z proszku miedzi ECu (2) oraz z mieszaniny proszku miedzi i wolframu ECu/W (3 i 4)
Weight optimization tests were run for each type of powder liner. The weight was
altered by adjusting the thickness of liner’s wall. The optimization criterion adopted was
to maximize the basic parameter of shaped charge, which was the penetration of a steel
wall. Table 1 presents basic data of the powder liners used in the investigated shaped
charges in comparison to a monolithic copper liner since the maximum penetration in the
shaped charge system under investigation was obtained with heavier powder liners.
TABLE 1
Characteristics of powder liners
TABLICA 1
Parametry proszkowych wkładek kumulacyjnych
No.
Description of liners
1
Liners made of monolithic copper code M1E
Liners pressed from electrolytic copper
powder code ECu
Liners made from a mixture of copper and
tungsten powders code ECu/W
2
3
Weight
m
[g]
Density
ρ0
[g/cm3]
Thickness
of wall, g
[mm]
18,0
8,93
0,85
22,0
8,5
1,15
30,0
12,5
1,07
128
4. Investigation of shaped charge jets by pulse X-ray method
In order to carry out firing experiments with the use of heavy shaped charge liners, we
selected a verified design of shaped charge in a steel casing belonging to the H-Fe-33-150
series of types used for the perforation of geological boreholes. The charge design and
view is shown in fig. 4. The explosive used in the shaped charge was hexoflen (finecrystalline hexogen desensitized with fluoropolymer plastic) developed by the authors
hereof (Wilk et al., 2000). The charges were press-moulded at ambient temperature
under a pressure of 250 MPa. The density of the press-moulded explosive in the charge
was 1.74 g/cm3.
Detonating cord holder
46.6
Steel case
Explosive
Liner powder malal
f 33.3
f 39
Fig. 4. Schedule of construction and shaped charge chosen for testing of powder liners
Rys. 4. Schemat konstrukcji i widok ładunku kumulacyjnego wybranego do testowania
proszkowych wkładek kumulacyjnych
The dynamic process of shaped charge jet formation from the liners under investigation was registered by means of a pulse X-ray system of the SKAND-FLASH 450 type.
The diagram of the test station and its detailed description was presented by the authors
in their paper (Włodarczyk et al., 1997). Thanks to the research methodology used, it
was possible to acquire the following data for each shaped charge fired: jet length and
symmetry assessment at specified time points, determination of jet front velocity and
slug velocity, determination of jet fragmentation nature and the characteristics of jet
components, i.e. the jet front and the slug.
Visible in the X-ray pictures are the front parts of jets produced by shaped charges
with liners manufactured from two types of material – monolithic copper, grade M1E
and sintered electrolytic copper powder ECu 0,160. The registration of jets was made
for the delay times of T1 = 30 µs and T2 = 70 µs. The jet front velocity was assessed as
129
the product of difference of jet front position for individual registration times (LA – LA’)
and the difference of registration times (T2 – T1). The determined velocity of jet front
was recorded in X-ray pictures. A scale was added to enable the determination of length
of shaped charge jet at the given moment of its formation and flight. The X-ray pictures
depict the characteristic difference in the way shaped charge jets are fragmenting for both
types of liner materials: the continuous for monolithic copper (Fig. 5) and the fragile for
sintered copper powder (Fig. 6).
30 ms
50
A
100
150
200
[mm]
70 ms
A’
Vj0 = ok. 7500 m/s
300
350
450 [mm]
400
Fig. 5. The radiographs of cumulative jets formed by copper liner (no.1, table 1) after 30
and 70 µs from initiation
Rys. 5. Rentgenogram strumienia kumulacyjnego uformowanego z wkładki wytłoczonej
z miedzi litej M1E (nr 1, tabl. 1) po czasie 30 i 70 µs od momentu inicjacji
30 ms
0
A
50
150 [mm]
100
70 ms
Vj0 = ok. 7200 m/s
A’
300
350
400
450 [mm]
Fig. 6. The radiographs of cumulative jets formed by copper powder liner (no.1, table 1) after 30
and 70 µs from initiation
Rys. 6. Rentgenogram strumienia kumulacyjnego otrzymanego z wkładki kumulacyjnej
wykonanej z proszku miedzi (nr 2, tabl. 1) po czasie 30 i 70 µs od momentu inicjacji
130
The X-ray pictures of shaped charge jets produced from powder liners reveal the
typical ability of the jets coming from monolithic liners to increase their length while
preserving jet continuity. A liner made from a blend of copper and tungsten powders,
which are metals of remarkably different density, produces a regular jet with a high
capacity of penetration, higher than a copper liner, despite the lower velocity of jet
front. The jet produced from a powder liner preserves the discrete structure of its initial
material, which is clearly visible in a blow-up (see the lower picture in Fig. 7). Also the
slug has the same structure which causes its low mechanical resistance – a beneficial
property to utilize in the perforation of geological boreholes.
30 ms
A
0
50
100
150
[mm]
A’
70 ms
Vj0 = 6950 m/s
250
300
350
400 [mm]
Fig. 7. The radiographs of cumulative jets formed by copper/tungsten powder liner (no. 3, table 1)
after 30 and 70 µs from initiation
Rys. 7. Rentgenogramy strumienia kumulacyjnego uzyskanego z ciężkiej wkładki proszkowej
(nr 3 z tabl. 1) po czasie 30 i 70 µs od momentu inicjacji ŁK
5. Computer simulations of shaped charge jet formation
To analyse a shaped charge design using computer simulation method, a physicalnumerical model in the form of computer codes was employed. The idea of this method
is to cover the deformed body with a grid of material points and to trace their trajectory
in consecutive moments of time. Assumed in the model was axial symmetry and two
spatial dimensions R, Z in a cylindrical arrangement.
The computer simulations of jet generation process in a shaped charge use the equations of continuous media mechanics while taking into account the relevant material
relations for the products of detonation, shaped charge liner and charge casing. A mathematical-physical model was adopted for shaped charge liner, which describes the
behaviour of porous and multiphase media in dynamic load conditions.
131
The model describing the dynamic deformations of metals (of shaped charge liner
and the metal casing of charge) was supplemented with semi-empirical relations needed
to describe the behaviour of metals in dynamic load conditions: the equation of state
for the liner and casing materials, the Steinberg-Guinan model describing the behaviour
of the dynamic border of plastic flow, the formation models of gaps and their effect on
the strength characteristics of metals. The propagation of detonation wave in explosive
material was described using the hydrodynamic model for solid explosive detonation
products supplemented with the JWL equation of state (Walters et al., 1989; Jach, 1990;
Jach et al., 2004). The following data was adopted for computer model calculations:
high explosive density: 1,74 g/cm3, detonation velocity: 8300 m/s, the density of copper
powder liner: (ECu) – 8.5 g/cm3, the density of copper/tungsten powder blend liner:
(ECu/W) – 12,5 g/cm3.
Quoted below are exemplary simulation results that demonstrate the progress of
charge detonation process and the initial phases of dynamic crushing of shaped charge
liner followed by jet formation process for selected time points counted from the moment of explosive material initiation. Based on the simulation, taking into account the
scale of time and the distances, it was possible to assess the velocity of jet front for the
individual types of shaped charge liners. This parameter, as well as the length of the
formed jet, are the basis for comparing the detonation of the actual shaped charges and
the shaped charge X-ray pictures registered in the process with the results obtained on
the computer model of the phenomenon.
The computer simulation results of the detonation phenomenon of shaped charges with
a monolithic copper liner and a copper powder liner (it. 1 and 2 in table 1) for selected
time points are presented in Fig 8. A method is also offered for the geometrical assessment of jet front velocity (Vo) and slug velocity (Vz) as well as for the determination of
a hypothetical point called “the virtual start of shaped charge jet” (Zo, To). The position
of this point is based on the assumption, which was successfully verified in many experiments, that the velocity distribution of jet components is roughly linear. Thanks to this
assumption, the velocity of the given jet component and its position z = Zo + V(t – To)
can be determined for each time point t. The higher velocity (by 550 m/s) of the jet front
generated by monolithic copper liner can be explained by the lesser weight of the latter,
which enabled its more dynamic deformation. The homogenous, heavy ECu/W liner is
characterized by even lesser velocity of the jet. The nature and parameters of the simulated phenomenon are in agreement with the firing experiments described in the chapter
on experiments.
132
z
z
t
t
jet front velocity
jet front velocity
Vo = 7300 m/s
Vo = 6750 m/s
10 ms
10 ms
12 ms
15 ms
20 ms
0
5
10
14 ms
Z [cm]
a)
0
5
10 Z [cm]
b)
Fig. 8. Results of computer simulation for shaped charges with a liner made of copper (a)
and of copper powder
Rys. 8. Wyników symulacji komputerowej dla konstrukcji ŁK z wkładką z litej miedzi (a)
i z proszku miedzi (b)
6. Conclusions
The technology-related work and the shooting experiments described herein confirm
that the powder metallurgy technology offers new potential in the manufacture of liners
for shaped charges, especially of lesser calibres up to several dozen millimetres, which
are basically intended for use in geological borehole perforation technology. The powder metallurgy technology enables also the design and manufacture of shaped charge
liners in a variety of shapes, different weight and varied chemical composition, which
is something beyond the reach of traditional technology. The manufacturing method of
multilayer inserts from practically any selection of metal powders (even non-metallic
materials) provides a great scope for applications.
The powder liners manufactured with the new technology are marked by favourable
useful properties as compared to monolithic copper liners produced with plastic forming
technology. The characteristic feature – revealed in this work – of the shaped charge jet
133
generated from a heavy, powder liner is its quasi-plastic behaviour on the flight path,
similar to that of the jets generated from monolithic liners. The X-ray pictures reveal
however a discontinuous (discrete) structure of the generated shaped charge jet, which
represents the structure of the powder liner. The low mechanical strength of the porous
slug, which preserves the initial grainy structure of shaped charge liner, prevents the
clogging of the borehole, which is a precious feature in the preparation and operation
of geological boreholes.
The computer simulations of the detonation of shaped charges with heavy, powder
liners and of jet formation have confirmed the usability of functional models and computer
codes for forecasting the progress of dynamic, hypersonic impact processes of porous
materials (sinters). The assumption data introduced into the model made it possible to
obtain simulation results approximating those obtained by way of experiment.
REFERENCES
C h a n t e r e t P.Y., L i c h t e n b e r g e r A., 1995. Bimetallic Liners and Coherence of Charge Jets. 15th Int. Symposium
on Ballistics, Jerusalem, Israel.
J a c h K., 1990. The computer modelling of shaped charge phenomena (in Polish). Wojskowa Akademia Techniczna,
Warszawa.
J a c h K., T r ą b i ń s k i R., W i l k Z., Z y g m u n t B., 2002. Research of shaped charges with powder liners for
perforation of well-bores (in Polish). 4th Int. Conf. on Armament, Waplewo, Poland.
J a c h K., Ś w i e r c z y ń s k i R., W i l k Z., 2004. Modelling of perforation process of borehole pipes of geological
wells using shaped charges. J. Tech. Phys., 45, 1, 31-54.
K u p i d u r a Z., W i l k Z., Z y g m u n t B., 1998. Application of high energetic compositions containing PTFE to shaped
charges (in Polish). Problemy Techniki Uzbrojenia 65, 61-69.
T i e - F u W., Z h u H e - R o n g Z., 1996. Copper-tungsten shaped charge liner and its jet. Propellants, Explosives,
Pyrotechnics 21, 193-196.
W a l t e r s W.P., Z u k a s J.A., 1989. Fundamentals of Shaped Charge. A Wiley-Interscience Publication, New York.
W i l k Z., Z y g m u n t B., 2000. Research of explosive properties of RDX and HMX with fluoropolymer binder
(in Polish). 3rd Int. Conf. on Armament, Waplewo, Poland.
W ł o d a r c z y k E., T r ą b i ń s k i R., J a c k o w s k i A., C u d z i ł o S., 1997. The research of cumulative jets properties
(in Polish). Biul. WAT 47, 4, 57-72,
Received: 12 December 2006