油氣井撞擊式全通徑起爆裝置研究

楊新鋒，李森茂，馬曉亞

（1.甘肅省化工研究院，蘭州 甘肅 730020；2.甘肅蘭金民用爆炸高新技術(shù)公司，蘭州 甘肅 730020）

0 引 言

全通徑射孔[1]的技術(shù)關(guān)鍵從起爆裝置和油管連接處至射孔器尾端，整個射孔槍串內(nèi)腔的承壓件、定位限位件、射孔彈、彈架、夾層彈架都在射孔彈和導爆索爆炸產(chǎn)生的沖擊波和瞬間高溫熱粒子的作用下充分碎解和燃燒，其碎屑全部落入管串底部的口袋槍內(nèi)或落入井底口袋，整個射孔槍串內(nèi)腔形成暢通通道。全通徑起爆裝置為全通徑射孔器串的瓶頸組件，國內(nèi)開展撞擊式全通徑起爆裝置研發(fā)尚未取得滿意效果主要有3個原因：全通徑起爆裝置的通徑內(nèi)徑尺寸≤60mm；內(nèi)件自毀粉碎效果不佳，碎塊粒度不規(guī)則；耐溫耐壓性能不穩(wěn)定。為了確保射孔作業(yè)的成功率，研究開發(fā)新的、能滿足技術(shù)要求的撞擊式全通徑起爆裝置非常關(guān)鍵。

1 初型起爆裝置結(jié)構(gòu)和起爆原理

初型撞擊式全通徑起爆器由油管接頭、陶瓷密封蓋、撞擊擊針、發(fā)火器、上下通徑芯件、通徑接頭組成（見圖1）。

圖1 初型全通徑起爆裝置示意圖

全通徑起爆裝置的專用投棒撞擊到陶瓷蓋后，擊碎陶瓷蓋，解除系統(tǒng)密封。利用投棒的撞擊力度撞擊擊針擊發(fā)發(fā)火裝置內(nèi)的起爆藥室，起爆藥起爆，引爆主裝置內(nèi)的起爆藥室。起爆藥起爆，引爆主裝藥，由主裝藥引爆需要起爆的傳爆管、導爆索和射孔彈。同時起爆器內(nèi)的通徑芯件在爆轟波的作用下完全破碎下落，形成不小于Φ50mm的光滑通徑，從而完成全通徑射孔作業(yè)。

2 初型起爆裝置存在的結(jié)構(gòu)和性能缺陷

反復試驗研究表明，陶瓷蓋型全通徑起爆裝置起爆率高，通徑效果一般，通徑不大于Φ50mm，結(jié)構(gòu)和性能存在一定缺陷。

（1）密封膠耐溫低。密封承壓用的陶瓷蓋是用環(huán)氧樹脂在常溫下粘接固化的，通過試驗在高溫下已固化的環(huán)氧樹脂在120℃左右會軟化，使粘接密封系統(tǒng)失靈，導致密封系統(tǒng)進油水，造成射孔作業(yè)失敗。

（2）陶瓷蓋屬于易碎材料。由于我國的油田一般地處戈壁或山地、丘陵地帶，現(xiàn)場環(huán)境較差，在射孔作業(yè)過程中，難免有一些落物會進入井筒內(nèi)，即使是一塊小石子，落入幾千米的井筒內(nèi)，其沖量足以擊碎陶瓷蓋，加之油管輸送機械動力的制動、油管立柱的連接振動，均有可能會破壞陶瓷蓋的密封系統(tǒng)，在投棒撞擊前系統(tǒng)已經(jīng)進水，造成起爆裝置失效，導致射孔作業(yè)失敗。

（3）鑄鐵通徑芯件的強度和破碎效果相抵觸。通徑芯件強度越大，破碎碎塊就越大，通徑效果就越差；如果要求破碎碎塊小，但通徑芯件的強度就相應弱一些，甚至會使芯件在投棒撞擊時被擊穿，導致不起爆現(xiàn)象發(fā)生。

（4）芯件碎塊塊度不規(guī)則。最大塊25mm×18 mm，這樣的碎塊在沿管壁下落過程中容易產(chǎn)生橋架。

3 新型起爆裝置的研究

3.1 研究思路

將初型的陶瓷密封系統(tǒng)改為撞擊密封一體化系統(tǒng)，采用O型圈密封；將初型的鑄鐵通徑芯件改為特種高分子材質(zhì)的通徑芯件；將初型的膠粘劑粘接組裝結(jié)構(gòu)改為機械緊固裝配結(jié)構(gòu)。

根據(jù)全通徑起爆裝置的原理和結(jié)構(gòu)，其中起爆裝置的密封、通徑芯件材質(zhì)的破碎性能和結(jié)構(gòu)、機械緊固裝配結(jié)構(gòu)是全通徑起爆裝置研究的技術(shù)關(guān)鍵。

3.2 O型圈密封系統(tǒng)的設計定型研究

全通徑起爆裝置內(nèi)部元件和起爆裝置下端聯(lián)接的射孔槍的密封全靠起爆裝置的密封系統(tǒng)保證。在井下高溫高壓、介質(zhì)成分復雜的環(huán)境中，密封性能要牢靠，密封件的耐高溫耐高壓、耐腐蝕等綜合性能一定要可靠。在此，借鑒航天工程和石油井下耐溫耐壓儀器的密封經(jīng)驗，采用O型圈密封結(jié)構(gòu)。在同等環(huán)境、對同體積的腔體采用瓶蓋式粘接密封和O型圈密封（見圖2）。根據(jù)反復試驗密封效果截然不同，記錄見表1。

圖2 密封系統(tǒng)示意圖

表1 在同等環(huán)境下2種不同形式腔體耐溫、耐壓對比

3.3 高分子材料通徑芯件的設計定型研究

3.3.1 通徑芯件材質(zhì)的選擇

通徑芯件首先要有良好的氣密性、耐腐蝕能力和破碎性能，通過對機械工程材料[3]的研究篩選出了3種基本符合條件的可用材料：鑄鐵、陶瓷、高分子材料（3種材料性能對比見表2），經(jīng)過大量的試驗和研究，最終選擇高分子材料。

3.3.2 通徑芯件結(jié)構(gòu)的設計研究

設計了具有抗諧振能力、強度高、組裝便捷、起鈍化作用的通徑芯件結(jié)構(gòu)[4]，然后，根據(jù)炸藥在均勻固體介質(zhì)中的爆炸原理[5]（見圖3），在不影響芯件強度的基礎上，為通徑芯件設計了合理的破碎結(jié)構(gòu)來確保起爆后的通徑效果。

表2 鑄鐵、陶瓷、酚醛塑料材料性能對比

圖3 主裝炸藥爆炸對酚醛芯件的碎解現(xiàn)象

3.4 機械緊固裝配結(jié)構(gòu)的設計定型研究

起初設計的撞擊式全通徑起爆裝置屬于一次性粘合裝配，內(nèi)部芯件配合精度要求高，組合難度大，陶瓷密封系統(tǒng)和芯件整體定位限位的粘接操作不便，粘接牢靠程度監(jiān)測方式復雜，耐溫耐壓檢測難度大，同時對裝配的運輸方式和儲存環(huán)境要求很高。

新型撞擊式全通徑起爆裝置的整體裝配結(jié)構(gòu)和緊固方式徹底改型為一體式通徑芯件依次裝配、臺階準確定位限位、螺紋緊固，零配件的互換性很好，零部件耐溫耐壓檢測便捷，起爆裝置拆裝方便（其結(jié)構(gòu)見圖4）。為了運輸、存儲、搬動安全可靠，可將起爆裝置的發(fā)火裝置和主裝藥分開運輸、儲存、現(xiàn)場裝配，確保起爆裝置現(xiàn)場應用的安全。

3.5 初型和新型全通徑起爆裝置的技術(shù)指標對比

新型全通徑起爆裝置完全可滿足全通徑高效射孔技術(shù)現(xiàn)場應用。其性能對比見表3。

4 現(xiàn)場應用

2007年11月至2008年10月，先后在西北某油田2個區(qū)塊采用 QTJ-102-16M－127和 QTJ－89－16M－89射孔器應用進行了5井次全通徑射孔作業(yè)。

圖4 新型全通徑起爆裝置示意圖

表3 2種全通徑起爆裝置性能參數(shù)對比

井1、井2、井3采用 QTJ－102－16M－127射孔器，配套應用了102型新型撞擊式全通徑起爆裝置，撞擊點火成功。起出射孔管柱后，觀察分析，從起爆裝置至射孔槍串尾部內(nèi)腔形成不小于Φ60mm的暢通通道，起爆裝置內(nèi)件全部破碎，碎塊隨投棒一同順利下落至口袋槍內(nèi)或井底，起爆裝置成功起爆，通徑效果良好，碎塊粒度均勻。

井4、井5井深分別1832m和1638m，采用采用 QTJ－89－16M－89射孔器，配套應用了89型新型撞擊式全通徑起爆裝置，撞擊點火成功，起爆裝置成功起爆，碎塊粒度均勻，最大粒度11mm×9mm，通徑效果良好。

5 結(jié) 論

新型撞擊式全通徑起爆裝置的耐高溫、耐高壓、起爆率、通徑效果、安全性、穩(wěn)定性等技術(shù)指標均達到了設計要求，為全通徑射孔技術(shù)的進一步完善和發(fā)展奠定了更扎實的基礎。

[1]曾樹峰，孔凡鵬，安恩向.含能彈架全通徑射孔器的研究[J].爆破，2008，25（1）：65-68.

[2]梁銳，孔凡鵬，李清芳，等.撞擊式全通徑起爆器：中國，00242181.X[P].2001－07－04.

[3]何小柏.機械設計[M].重慶：重慶大學出版社，1995：153－162.

[4]鄭明新.工程材料[M].北京：中央電視大學出版社1986：108－140.

[5]李翼祺，馬素貞.爆炸力學[M].北京：科學出版社，1992：370－426.