劉騰,慕光華,馮濱,劉楊,楊勛,周寧俠

(1.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井技術(shù)研究院,陜西西安710077; 2. 中國石油天然氣集團(tuán)有限公司測(cè)井技術(shù)試驗(yàn)基地,陜西西安710077; 3.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長慶分公司,陜西西安710201)

0 引 言

目前,通常采用安全性能較好的磁電電雷管、數(shù)碼電雷管,或通過隔爆、避爆等技術(shù)手段來提高射孔作業(yè)的安全性,但這些措施并未完全從本質(zhì)上避免由于含有敏感起爆藥而引起的潛在危險(xiǎn)。早在20世紀(jì)80年代無起爆藥的沖擊片(Exploding Foil In Initiator,EFI)雷管和爆炸橋絲(Exploding Bridge Wire,EBW)雷管就已研制成功[1],由于成本的因素,二者主要應(yīng)用于高端軍用裝備。近幾年,中國將EFI雷管和EBW雷管技術(shù)應(yīng)用于油氣井射孔中,雷管中僅裝有鈍化的猛炸藥,極大地提高了射孔作業(yè)的安全性。但上述二者在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過程中必須遵循電雷管的相關(guān)安全規(guī)定。成本高也是EFI雷管和EBW雷管不能大范圍推廣應(yīng)用的因素之一。

該文提出了在油氣井射孔中去掉傳統(tǒng)電雷管的理念,將高壓放電裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、主裝藥柱采用可分離設(shè)計(jì),提高射孔作業(yè)的安全性,進(jìn)而開展了高能激發(fā)器的研制。把EFI雷管的放電部分和藥柱一分為二:將高能量沖擊系統(tǒng)歸為普通的電子產(chǎn)品;另將含猛炸藥的藥柱歸為炸藥類危險(xiǎn)品,和傳爆管類似,可以與射孔彈、導(dǎo)爆索同車運(yùn)輸、同庫儲(chǔ)存。在油氣井射孔過程中的危險(xiǎn)品運(yùn)輸、儲(chǔ)存環(huán)節(jié)沒有電雷管,通過現(xiàn)場(chǎng)組裝,使用電子編碼開關(guān)控制起爆,進(jìn)而起爆導(dǎo)爆索完成射孔作業(yè)施工。

1 高能激發(fā)器的設(shè)計(jì)

1.1 理論研究

1.1.1無起爆藥安全起爆技術(shù)

使用黑索金或奧克托金替代傳統(tǒng)電雷管中敏感度高的起爆藥,大大降低了雷管裝藥的敏感度,起爆組件與主裝藥柱采用分離式設(shè)計(jì),可以獨(dú)立運(yùn)輸、儲(chǔ)存。而且主裝藥柱只在強(qiáng)電壓脈沖的高能量作用下才能被引爆,避免了無線電信號(hào)、漏電、靜電、撞擊等因素對(duì)主裝藥柱的影響,極大地提高了火工品的安全性。

進(jìn)行射孔作業(yè)時(shí),將高壓放電裝置與能量轉(zhuǎn)換裝置連接。通過地面直流電源及井下選發(fā)開關(guān)向高壓放電裝置輸入100 V直流電,高壓放電裝置利用升壓電路向能量轉(zhuǎn)換裝置輸出約2 000 V的高壓脈沖;能量轉(zhuǎn)換裝置將電壓脈沖轉(zhuǎn)換成熱能,從而引燃主裝藥柱中的飛片驅(qū)動(dòng)裝藥(奧克托金與氧化劑特殊處理的裝藥),產(chǎn)生大量壓縮氣體,驅(qū)動(dòng)一定質(zhì)量的飛片以較高速度穿過加速膛;被加速后的飛片速度約600 m/s,高速的飛片猛烈撞擊主裝藥柱中的黑索金或奧克托金,使主裝藥柱發(fā)生爆轟,從而引爆其他射孔器材(如導(dǎo)爆索)。

1.1.2井下高壓放電技術(shù)

井下高壓放電技術(shù)通過高壓電容進(jìn)行充電儲(chǔ)能[2],在接通回路后能量瞬間釋放,加載到放電電極兩端,帶電粒子在高壓下產(chǎn)生強(qiáng)烈的電離,電極間的空氣被擊穿,形成電離通道,在電極間產(chǎn)生電火花現(xiàn)象?；芈返拈_關(guān)閉合后,電路中的高壓電容、回路開關(guān)、放電電極和導(dǎo)線形成一個(gè)閉合回路。假設(shè)開關(guān)的阻抗為0 Ω,且持續(xù)放電時(shí)電極間電阻恒定,放電電路可以等效為RLC電路。根據(jù)基爾霍夫定律,放電過程存在關(guān)系

(1)

式中,L為電感,H;i(t)為電流,A;t為單位時(shí)間,s;C為電容,F;td為放電時(shí)間,s;R為電阻,Ω。由無輸入RLC電路初始條件求解式(1)可得放電電路的電流解析方程組

(2)

式中,U0為電容電壓,V;ω為振蕩角頻率,Hz;τ為衰減系數(shù)。放電電路中的阻抗決定了整個(gè)回路中的阻尼特性,從而決定了電極間的放電能量。實(shí)驗(yàn)研究證實(shí),當(dāng)高壓電容以振蕩方式放電時(shí),最有利于形成大能量電火花點(diǎn)火。

1.1.3炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟理論

炸藥的傳播機(jī)理[3]大致可分為3個(gè)階段:第1階段為在已燃燒炸藥前端的未燃燒部分受熱分解產(chǎn)生不穩(wěn)定產(chǎn)物;第2階段為上述不穩(wěn)定產(chǎn)物(具有助燃作用)與可燃物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),加快反應(yīng)速度同時(shí)溫度升高,進(jìn)一步促進(jìn)分解反應(yīng);第3階段為在高溫狀態(tài)下,炸藥發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng),并出現(xiàn)火焰。燃燒過程中,第2、3階段都受壓力的影響,壓力增高使得傳給凝聚相中的熱量增多,導(dǎo)致反應(yīng)速度加快。炸藥燃燒時(shí)產(chǎn)生氣體且受高溫作用,火焰容積發(fā)生急劇膨脹,如果不能很快地排出氣體,反應(yīng)區(qū)的壓力就會(huì)不斷增大,燃燒速度也不斷加快,當(dāng)速度達(dá)臨界值時(shí),穩(wěn)定的燃燒被打破,轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z。

1.2 高壓放電裝置的設(shè)計(jì)

高壓放電裝置[4]主要由升壓電路、放電電路、安全電路3部分組成,其原理圖見圖1。

圖1 高壓放電裝置原理圖

(1)升壓電路。電容式高壓放電裝置是一種常用的高壓放電裝置,本文根據(jù)電容放電原理,對(duì)高壓放電裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。由于電纜和能量轉(zhuǎn)換裝置線間的電容都很小,可將放電回路看成是純電阻電路?；陔娙菔礁邏悍烹娤嚓P(guān)理論,以及電壓和串聯(lián)電阻的計(jì)算原理,結(jié)合油井用電纜阻值和耐壓要求,優(yōu)化選擇高壓放電電容,并確定相關(guān)放電電壓。為了保證油井用電纜能夠被安全使用,同時(shí)為了其能夠在橋塞射孔聯(lián)作中與多級(jí)點(diǎn)火系統(tǒng)配接,選用100 V直流電作為供電電源,為高壓放電電容進(jìn)行充電。

(2)放電電路。放電電路的功能是控制電容器儲(chǔ)能輸出,實(shí)現(xiàn)高壓放電裝置對(duì)高能激發(fā)裝置的放電點(diǎn)火。儲(chǔ)能電容的充電電壓和放電電流是由時(shí)間常數(shù)(表示過渡反應(yīng)時(shí)間的過程常數(shù))控制并按指數(shù)規(guī)律變化的。電容完全充電所需要時(shí)間為時(shí)間常數(shù)的3～5倍,在確定電容值的前提下,根據(jù)設(shè)計(jì)的充電時(shí)間指標(biāo)即可確定相應(yīng)的充電電阻阻值。充電時(shí)間太短會(huì)造成電容不完全充電。

(3)安全電路。高壓電容在放電不完全、點(diǎn)火失敗或意外斷電的情況下,都會(huì)儲(chǔ)存大量殘余電能,如果不進(jìn)行完全放電,會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞、觸電等意外事故。同時(shí)為了防止誤觸發(fā),對(duì)高壓放電電路進(jìn)行了安全電路設(shè)計(jì),保證高壓放電裝置能夠安全可靠地放電。通過對(duì)相關(guān)電子元器件性能和需求進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析,確定了充電電路和放電電路的設(shè)計(jì)方案和相關(guān)器件。

1.3 能量轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)

1.3.1整體結(jié)構(gòu)

能量轉(zhuǎn)換裝置的作用是將高壓放電裝置輸出的電能轉(zhuǎn)換成能夠激發(fā)飛片驅(qū)動(dòng)裝藥的熱能,為此采用高壓電極放電方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,在高壓放電裝置充電完成后,向電極輸出高壓能量,電極間發(fā)生強(qiáng)電離,電荷在電極間運(yùn)動(dòng),電極間的空氣被擊穿,產(chǎn)生高能電火花。為了將瞬間能量的利用率最大化,在對(duì)放電電極、能量轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)、安全性能進(jìn)行設(shè)計(jì)論證后,采用插入式電極和螺栓固定的方式設(shè)計(jì)能量轉(zhuǎn)換裝置(見圖2)。

圖2 能量轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)插入式電極。插入式電極采用纏繞式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),選擇導(dǎo)電性好的材料做電極主芯,外層包裹絕緣性材料,放電端間隙不超過1 mm,使用時(shí)電極主芯必須完全插入主裝藥柱的飛片驅(qū)動(dòng)裝藥中,這樣不但能使轉(zhuǎn)換能量的利用率最大化,而且避免了外界干擾對(duì)放電電極的影響,提高了電極的可靠性和安全性。

(2)螺栓。電極放電是瞬間的,在確定電極連接方式后,為了進(jìn)一步提高放電的可靠性,將電極完全插入且固定牢靠,使能量轉(zhuǎn)換裝置與主裝藥柱穩(wěn)定連接,保證電極引燃飛片驅(qū)動(dòng)裝藥。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),最終采用螺栓進(jìn)行固定,使電極完全插入飛片驅(qū)動(dòng)裝藥,保證電極在井下振動(dòng)和沖擊的作用下不會(huì)產(chǎn)生移動(dòng),能可靠地引爆飛片驅(qū)動(dòng)裝藥。

1.4 主裝藥柱的設(shè)計(jì)

1.4.1整體結(jié)構(gòu)

主裝藥柱主要由飛片驅(qū)動(dòng)裝藥、內(nèi)帽、加速膛和主裝藥4部分組成。高壓放電裝置引燃飛片驅(qū)動(dòng)裝藥,產(chǎn)生高溫高壓氣體,內(nèi)帽被瞬間激發(fā)形成飛片,通過加速膛加速,產(chǎn)生足夠大的能量,猛烈撞擊主裝藥,進(jìn)而引爆導(dǎo)爆索(見圖3)。

圖3 主裝藥柱結(jié)構(gòu)示意圖

1.4.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)飛片驅(qū)動(dòng)裝藥。飛片驅(qū)動(dòng)裝藥在能量轉(zhuǎn)換裝置提供的外界能量作用下能夠快速燃燒,產(chǎn)生大量氣體和較高壓力,使內(nèi)帽底部形成飛片,飛片通過加速膛加速后最終撞擊主裝藥,因此,飛片驅(qū)動(dòng)裝藥的作用是給飛片提供動(dòng)能。飛片驅(qū)動(dòng)裝藥直接接受高壓放電裝置的電能,其被點(diǎn)火能力和爆炸特性是選用飛片驅(qū)動(dòng)裝藥的關(guān)鍵參數(shù)。為了能夠使能量轉(zhuǎn)換裝置提供的能量完全引燃飛片驅(qū)動(dòng)裝藥,同時(shí)考慮到主裝藥柱的耐溫性能,通過試驗(yàn)對(duì)飛片驅(qū)動(dòng)裝藥的粒度、密度和裝藥量進(jìn)行優(yōu)化選擇,最終選用奧克托金與氧化劑和黏結(jié)劑等經(jīng)過處理的藥劑作為飛片驅(qū)動(dòng)裝藥。

(2)內(nèi)帽。內(nèi)帽是提供飛片的裝置,是飛片能否形成的關(guān)鍵。內(nèi)帽鑲嵌在主裝藥柱殼體的內(nèi)壁,并留有一定間隙,以減小對(duì)主裝藥柱殼體的沖擊。根據(jù)飛片驅(qū)動(dòng)裝藥產(chǎn)生的爆轟波大小,在內(nèi)帽底部預(yù)制有一定厚度和寬度的預(yù)裂圈,使得內(nèi)帽在受到飛片驅(qū)動(dòng)裝藥沖擊時(shí)能被均勻剪切成大小、厚度一致的飛片。飛片驅(qū)動(dòng)裝藥在能量轉(zhuǎn)化裝置的激發(fā)下,瞬間形成高壓氣體作用于內(nèi)帽并使其形成飛片。由沖擊起爆理論可知飛片的臨界粒子速度,結(jié)合沖擊波相關(guān)理論,可反推出對(duì)應(yīng)的臨界飛片的最小速度為600 m/s。

從上面分析可知:飛片厚度與炸藥的起爆粒子速度成反比,速度越低,炸藥越容易起爆。在相同能量下,飛片速度會(huì)隨著厚度的增加而降低,因此,厚的飛片就需要更多能量去驅(qū)動(dòng)。為了使飛片具有合適的質(zhì)量,并能夠達(dá)到一定速度,可以撞擊主裝藥并將其可靠引爆,需要對(duì)飛片材料進(jìn)行優(yōu)化選擇。分別采用鋁、鐵和塑料制成敞口筒形的內(nèi)帽外表面與主裝藥柱殼體內(nèi)壁面過盈配合,表面光滑、無裂痕、無砂眼,并在內(nèi)帽底部制作4 mm左右的欲裂環(huán),來輔助形成飛片。

(3)加速膛。加速膛在主裝藥柱中的作用是保證飛片具有一定的速度和飛行平穩(wěn)度,從而可靠地轟擊導(dǎo)爆索。這就要求加速膛內(nèi)徑圓度要高,加速膛長度要適中,且加速膛內(nèi)徑無臺(tái)階,保證飛片在加速膛內(nèi)平穩(wěn)飛行并有足夠的能量激發(fā)主裝藥。加速膛尺寸應(yīng)滿足可最大限度地將飛片驅(qū)動(dòng)裝藥所釋放出來的能量轉(zhuǎn)換為飛片所需的動(dòng)能。通過試驗(yàn)對(duì)比,加速膛長度對(duì)飛片的起爆性能有決定性影響。加速膛太短不能將飛片加速到足夠起爆炸藥的速度,造成能量浪費(fèi),加速膛太長雖然有利于飛片速度的提高,但同時(shí)也會(huì)影響飛片在加速膛中飛行的平穩(wěn)性,另外在長加速膛中,飛片飛行時(shí)在其前方產(chǎn)生的激波也會(huì)逐漸減慢飛片飛行速度。通過試驗(yàn)確定加速膛的最佳長度為10 mm。

(4)主裝藥。為了保證飛片的最大沖擊能量,必須使加速膛長度固定在10 mm,而導(dǎo)爆索是手動(dòng)安裝的,如果使用飛片直接沖擊導(dǎo)爆索,加速膛長度會(huì)產(chǎn)生很大誤差,大大降低起爆成功率。因此,需要安裝少量的主裝藥固定加速膛的長度,保證飛片獲得最大沖擊能量并形成爆轟。考慮主裝藥的安全性、使用溫度和經(jīng)濟(jì)成本等因素,本文選用奧克托金作為主裝藥的主要成分。

2 高能激發(fā)器的性能試驗(yàn)

2.1 地面測(cè)試

在完成理論研究、模塊設(shè)計(jì)后,完成了初代樣機(jī)試制,為了驗(yàn)證研究成果及確保樣機(jī)的可靠性,進(jìn)行地面測(cè)試。試驗(yàn)方法是將高壓放電裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置和主裝藥柱連接,在主裝藥柱末端連接部分導(dǎo)爆索,使用起爆儀進(jìn)行起爆,驗(yàn)證高能激發(fā)器起爆導(dǎo)爆索的能力。通過地面測(cè)試,在優(yōu)化了飛片驅(qū)動(dòng)裝藥、加速膛和主裝藥后,起爆成功率逐步提升,最終三代樣機(jī)的起爆成功率達(dá)100%(見表1)。

表1 地面測(cè)試結(jié)果

2.2 爆力測(cè)試

爆力是體現(xiàn)主裝藥柱爆炸能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)[5]。爆力測(cè)試裝置使用直徑50 mm、厚度5 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形鉛板(見圖4)。以GB 8031—2005《工業(yè)電雷管》和GB 19417—2003《導(dǎo)爆管雷管》規(guī)定的工業(yè)非電雷管和電雷管爆力標(biāo)準(zhǔn)為指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果顯示主裝藥柱能炸穿厚度5.00 mm的鉛板,平均穿孔直徑10.36 mm,均大于主裝藥柱殼體外徑7.00 mm。主裝藥柱的起爆能力符合以上兩個(gè)國標(biāo)規(guī)定。

圖4 爆力測(cè)試裝置示意圖

2.3 殉爆測(cè)試

殉爆測(cè)試的目的是為了驗(yàn)證主裝藥柱的沖擊波感度,是主裝藥柱穩(wěn)定性的重要衡量指標(biāo)。根據(jù)WJ/9005—2006《工業(yè)索類火工品分類與命名規(guī)則》工業(yè)炸藥殉爆距離試驗(yàn)方法,采用5孔布局法,中心主裝藥柱與周圍4支主裝藥柱的距離均為13 mm。試驗(yàn)時(shí)中心處雷管首先起爆隨后觀察周圍4支主裝藥柱,發(fā)現(xiàn)主裝藥柱變形但未被引爆(見圖5)。隨后對(duì)未起爆的4支主裝藥柱單獨(dú)進(jìn)行起爆試驗(yàn),通過試驗(yàn),4支未起爆的主裝藥柱能夠完全起爆。試驗(yàn)結(jié)果表明,研制的主裝藥柱能夠抵抗至少125 MPa沖擊壓力,并能可靠起爆。由此可見主裝藥柱具有良好的抗沖擊起爆特性,滿足射孔的起爆要求。

圖5 發(fā)生變形但未起爆的主裝藥柱

2.4 抗工頻測(cè)試

抗工頻測(cè)試的目的是測(cè)試主裝藥柱接通不同電壓的條件下能否被直接點(diǎn)爆。試驗(yàn)方法是先將能量轉(zhuǎn)換裝置與主裝藥柱連接起來,然后直接將能量轉(zhuǎn)換裝置與380 V、220 V交流電接通,以此來測(cè)試主裝藥柱是否發(fā)生爆炸(見圖6)。共計(jì)測(cè)試40支主裝藥柱,均未被點(diǎn)爆。試驗(yàn)結(jié)果表明,該高能激發(fā)器能夠在380 V、220 V交流電的作用下不被激發(fā),具有較高的抗工頻能力。針對(duì)試驗(yàn)后的主裝藥柱和能量轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行性能試驗(yàn),用高壓放電裝置進(jìn)行起爆測(cè)試,所有40支主裝藥柱均完全爆炸。

圖6 試驗(yàn)裝置示意圖

2.5 耐高溫測(cè)試

耐高溫測(cè)試是為了驗(yàn)證高能激發(fā)器在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。試驗(yàn)方法是將40支主裝藥柱置于高溫烘箱中,升溫至155 ℃,保持溫度4 h,測(cè)試主裝藥柱的安全性能,最終40支均未引爆(見圖7)。將試驗(yàn)后的主裝藥柱與能量轉(zhuǎn)換裝置相連,用高壓放電裝置進(jìn)行起爆測(cè)試,所有40支主裝藥柱均完全爆炸。

圖7 耐溫試驗(yàn)示意圖

2.6 選發(fā)測(cè)試

除了常規(guī)起爆儀點(diǎn)火之外,為了能夠在橋塞射孔聯(lián)作中進(jìn)行應(yīng)用,還需要進(jìn)行多級(jí)點(diǎn)火系統(tǒng)的起爆測(cè)試。試驗(yàn)方法是將高壓放電裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、主裝藥柱依次連接好,在高壓放電裝置的最前端連接選發(fā)開關(guān),最大連接級(jí)數(shù)為20級(jí),通過多級(jí)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行選發(fā)開關(guān)的供電,依次進(jìn)行選發(fā)起爆,驗(yàn)證高能激發(fā)器的選發(fā)起爆能力,進(jìn)行2組試驗(yàn),每組20支高能激發(fā)器,共計(jì)40支,全部起爆成功(見圖8)。試驗(yàn)結(jié)果表明,高能激發(fā)器與高壓放電裝置能夠很好地與多級(jí)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行配接,并完成20級(jí)的選發(fā)起爆,完全適應(yīng)橋塞射孔聯(lián)作的應(yīng)用條件。

圖8 選發(fā)測(cè)試示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)井試驗(yàn)

在進(jìn)行生產(chǎn)井試驗(yàn)之前首先在標(biāo)準(zhǔn)井中進(jìn)行起爆測(cè)試,為了真實(shí)模擬生產(chǎn)井的施工狀態(tài),工具串完全模擬生產(chǎn)井的連接方式。共計(jì)下井10次,起爆高能激發(fā)器10支。在此過程中發(fā)現(xiàn)密封插針在高電壓下絕緣性能降低,發(fā)生漏電現(xiàn)象,在改變了插針結(jié)構(gòu)和材料之后該問題得以徹底解決。

3.2 生產(chǎn)井試驗(yàn)

在完成了組件設(shè)計(jì)、樣機(jī)加工和性能試驗(yàn)后,在長慶地區(qū)生產(chǎn)井中進(jìn)行了3井次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),使用多級(jí)射孔系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)火控制,起爆成功率100%(見表2)。

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

4 結(jié) 論

(1)本文在油氣井射孔作業(yè)中創(chuàng)新提出了摒棄普通電雷管的理念,研制的高能激發(fā)器采用分體式設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了電子編碼高壓放電裝置的重復(fù)利用。與EFI雷管相比,使射孔作業(yè)更加安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

(2)通過各種性能試驗(yàn),在沖擊、工頻電、高溫等復(fù)雜條件下高能激發(fā)器均表現(xiàn)了良好的特性,滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用條件,但是為了進(jìn)一步檢驗(yàn)其適用性,還需要開展大規(guī)模推廣應(yīng)用加以驗(yàn)證。

(3)高能激發(fā)器與高壓放電裝置能夠很好地與多級(jí)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行配接完成選發(fā)點(diǎn)火,為其在橋塞射孔聯(lián)作中的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。