高溫對聚能射孔器穿孔性能影響試驗研究

李東傳，張晨，石建，余海鷹

（1．石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，黑龍江 大慶163853；2．西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065）

0 引 言

由于對國內(nèi)聚能射孔器產(chǎn)品在高溫條件下性能變化規(guī)律認識不足，在射孔作業(yè)過程中，出現(xiàn)了一系列的問題，主要為射孔過程中出現(xiàn)斷爆、爆燃、炸槍，甚至落井、卡井等事故，嚴重影響正常的射孔作業(yè)。目前，國內(nèi)大部分高溫井首選使用國外的耐高溫射孔器材產(chǎn)品。

國外給出了炸藥耐熱的溫度—時間曲線［1］，現(xiàn)場施工時一般參照使用以保證安全性；國內(nèi)射孔器材生產(chǎn)廠家一般依據(jù)炸藥生產(chǎn)廠對光藥柱進行的高溫性能測試數(shù)據(jù)資料選擇射孔器材的裝藥，但不能作為評價射孔器性能的依據(jù)。API標準［2］規(guī)定了油管輸送式（TCP）射孔器材耐熱性能試驗時恒溫100h，GB／T 20489－2006［3］中僅給出了恒溫2h的技術(shù)要求。

彭原平等［4］認為在25～100℃溫度對YD－89Ⅲ型射孔彈（RDX裝藥，極限溫度160℃）穿透性能的影響可忽略；董經(jīng)利等［5－6］認為RDX裝藥的射孔彈在25～150℃穿孔深度隨溫度的升高而下降；四川石油射孔器材有限責(zé)任公司研究認為超高溫炸藥（PYX或HNS）在允許的耐溫—時間范圍內(nèi)（試驗溫度不高于195℃、恒溫不大于120h），射孔彈的穿孔深度下降不明顯。由于現(xiàn)場需求和試驗經(jīng)費的限制等原因，尚未對國內(nèi)生產(chǎn)的全部耐高溫射孔器產(chǎn)品進行更高溫度—時間條件下的全面性能測試。本文結(jié)合油田現(xiàn)場需求確定了試驗溫度、恒溫時間，利用聚能射孔器耐溫試驗后打鋼靶試驗研究持續(xù)高溫對射孔器性能的影響。

1 試 驗

1．1 試驗設(shè)計

中國高溫井一般采用油管輸送作業(yè)，部分井溫達到了200℃、作業(yè)時間超過了150h。試驗溫度、恒溫時間設(shè)計為常溫、180℃恒溫150h和210℃恒溫170h（炸藥臨界溫度—時間曲線附近）。射孔器選擇了具有代表性的3個廠家的3種不同外徑的四相位耐高溫聚能射孔器（見表1），試驗時每種聚能射孔器連續(xù)裝配聚能射孔彈8發(fā)，聚能射孔器和靶的間隙為0。

表1 聚能射孔器參數(shù)

1．2 設(shè)備

試驗使用的設(shè)備為油氣井用高溫射孔器試驗裝置，額定試驗溫度300℃，升溫速率不大于3℃／min，恒溫精度±3℃［7］。設(shè)備由聚能射孔器和靶組合裝置、加熱裝置、運移裝置和試驗裝置4部分組成。

聚能射孔器和靶組合裝置主要由靶架支架、調(diào)整絲杠、靶盒、射孔器夾緊裝置、靶塊組成（靶塊由1塊Φ70mm×10mm和多塊Φ70mm×25mm的45號鋼疊加組成），靶安裝在射流方向以保證射孔器打在靶上。

加熱裝置主要由加熱爐門、爐門軌道、溫度傳感器、加熱爐體、軌道滑塊組成，內(nèi)部空間為1．2m×1．2m×1．8m。能夠?qū)ΜF(xiàn)場使用的不長于1．5m的聚能射孔器進行試驗。

運移裝置主要由軌道、驅(qū)動裝置和機械手組成，用于將加溫后的靶組合裝置由加熱裝置轉(zhuǎn)移到試驗裝置中去，整個轉(zhuǎn)移時間為68s，溫降幅度為4℃。

試驗裝置主要由試驗裝置主體、裝置門軌道滑塊、試驗裝置門、裝置門軌道組成，保證射孔試驗時的碎屑不損害其他設(shè)備。

1．3 試驗步驟

依GB／T20488－2006油氣井用聚能射孔器材性能試驗方法［8］要求組裝聚能射孔器和靶。常溫試驗直接將組合體放入試驗裝置中進行射孔，高溫試驗需要先將組合體放入加熱裝置中加溫，恒溫后再放入試驗裝置中進行射孔。

1．4 數(shù)據(jù)采集處理

按GB／T20488－2006要求測量靶上孔道的穿孔孔徑和穿孔深度，并計算平均值（見表2）。A系列產(chǎn)品穿孔深度下降幅度均較大，穿孔孔徑在180℃／150h時增大，而在210℃／170h減??；B、C系列產(chǎn)品的穿孔深度在在180℃／150h時未下降或有所提高，在210℃／170h時未下降或下降幅度減小。

2 討 論

2．1 溫度對聚能射孔器穿孔性能的影響

在室溫條件下，炸藥熱分解反應(yīng)速度非常緩慢，其釋放出的熱量能散失掉，聚能射孔彈不會發(fā)生爆燃，在有效期內(nèi)性能變化不大。中國關(guān)于聚能射孔彈地面打鋼靶的穿孔深度的研究有1個公認的經(jīng)驗公式（適用于單錐藥型罩）

式中，L為聚能射孔彈對鋼靶的穿孔深度，mm；LM為藥型罩圓錐母線長，mm；α為藥型罩的半錐，°；ρ為裝藥密度，g／cm3；D為炸藥的爆速，m／s；η為藥型罩和靶板性能相關(guān)的參數(shù)。

式（1）中有2個變量與炸藥相關(guān)，溫度影響炸藥性能，繼而影響射孔彈的穿孔性能。隨著溫度的升高，炸藥熱分解速度逐漸加快。炸藥的熱分解反應(yīng)過程十分復(fù)雜，從化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)角度研究炸藥熱分解已經(jīng)建立起熱分解反應(yīng)速度的數(shù)學(xué)模型，通常化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)可用式（2）描述

式中，X為已分解的份數(shù)；t為時間；n為反應(yīng)級數(shù)；K為反應(yīng)速度常數(shù)。

隨著炸藥分解份數(shù)的增加，反應(yīng)速度逐漸下降。炸藥的熱分解時產(chǎn)生氣體、生成新的產(chǎn)物同時釋放出熱量，釋放出的氣體使射孔器內(nèi)部封閉空間的壓力升高，壓力反過來又影響炸藥分解速度，使整個熱分解過程更加復(fù)雜。高溫使炸藥體積膨脹［9］，影響了藥柱密度及聚能射孔彈內(nèi)部的應(yīng)力分布；熱分解改變了聚能射孔彈藥柱的成分，因此，降低了聚能射孔彈藥柱的爆速，同時也影響了射孔彈藥的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而影響了聚能射孔器的性能。

A、B這2個系列產(chǎn)品在高溫條件下的穿孔深度、穿孔孔徑均有波動，表明溫度對聚能射孔器性能影響較大。

表2 不同溫度條件下的試驗結(jié)果

2．2 設(shè)計對聚能射孔器穿孔性能的影響

聚能射孔器的設(shè)計包括炸高、間隙等參數(shù)，不同的設(shè)計得到的穿孔性能指標不同。由于內(nèi)部空間的限制，聚能射孔彈的炸高一般不是最佳炸高，射孔器的間隙也只能是相對合理。

耐高溫聚能射孔彈的設(shè)計尤其要考慮溫度對炸藥性能的影響。鑒于高溫試驗后聚能射孔彈等火工品性能有所降低，如果炸藥性能降低后的射孔彈與炸高、間隙等匹配更合理時其性能指標的下降幅度可能減小。

A系列產(chǎn)品設(shè)計時未充分考慮溫度對炸藥性能的影響或未達到有效設(shè)計優(yōu)化，所以經(jīng)過高溫后穿孔性能影響較大。在180℃恒溫150h時穿孔深度最大下降幅度為35．2%，210℃恒溫170h時穿孔深度最大下降幅度為32．7%。

B、C系列產(chǎn)品設(shè)計時充分考慮到了溫度對炸藥性能的影響，并進行了有效設(shè)計優(yōu)化，所以經(jīng)過高溫后穿孔性能下降幅度較小某些數(shù)據(jù)甚至有所上升。

3 結(jié)論與建議

（1）長時間持續(xù)高溫對聚能射孔器穿孔性能（穿孔深度、穿孔孔徑）的影響十分明顯，部分產(chǎn)品穿孔深度下降幅度可達35%，穿孔孔徑則明顯增大。

（2）聚能射孔彈、炸高、間隙等整體配合決定聚能射孔器的穿孔深度。通過調(diào)整設(shè)計方案進行優(yōu)化設(shè)計，可以改變溫度對穿孔性能的影響結(jié)果，從而達到提高某一特定條件下產(chǎn)品穿孔性能的目的。

（3）建議進一步研究溫度對聚能射孔彈性能的影響規(guī)律，以便與炸高、間隙等其他對穿孔性能有影響的參數(shù)合理匹配，從而開發(fā)出適用于特定井下條件的聚能射孔器，滿足現(xiàn)場需求。

［1］陸大衛(wèi)．油氣井射孔技術(shù)［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2012．

［2］API Recommended Practice 19BSecond Edition，Recommended Practices for Evaluation of Well Perforators［S］．API，2006．

［3］GB／T 20489－2006油氣井聚能射孔器材通用技術(shù)條件［S］．北京：中國標準出版社，2007．

［4］彭原平，肖勝飚．高溫高壓對射孔彈性能的影響［C］∥射孔新技術(shù)研討會論文選集．中國石油學(xué)會測井專業(yè)委員會射孔分會射孔新技術(shù)研討會，2005：1－7．

［5］董經(jīng)利，陳序三，邵在平，等．高溫高壓條件下射孔效能試驗研究［J］．測井技術(shù)，2008，32（2）：100－104．

［6］董經(jīng)利，張波，張林，等．高溫高壓條件下射孔效能檢測與評價初探［C］∥2013年油氣井射孔技術(shù)交流會論文集，2013：1－9．

［7］中國石油天然氣股份有限公司，大慶油田有限責(zé)任公司．油氣井用高溫射孔器試驗裝置：中國，201120254373［P］．3．2012－12－18．

［8］GB／T 20488－2006油氣井聚能射孔器材性能試驗方法［S］．北京：中國標準出版社，2007．

［9］許光，吳承云，于蔭林，等．混合炸藥對溫度漸變環(huán)境適應(yīng)性研究［J］．火炸藥，1997（1）：15－19．