分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)在石油射孔中的應(yīng)用

張 波，朱建新

(勝利石油工程有限公司測(cè)井公司，山東 東營(yíng) 257000)

目前，國(guó)內(nèi)井中聚能射孔彈大多采用熱橋絲雷管作為起爆元件[1]，這類(lèi)雷管中大多都含有起爆藥。為了降低起爆藥的敏感度，采用羧甲基纖維素包覆疊氮化鉛顆粒，但敏感度仍遠(yuǎn)高于猛炸藥。因此這類(lèi)含有起爆藥的雷管在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、裝配、拆卸等過(guò)程中容易意外起爆，并且容易受到無(wú)線(xiàn)電、雜散電流及意外撞擊影響，造成地面?zhèn)蛘`射孔事故[2]。

為了提高石油射孔的安全性，人們提出了許多新的設(shè)計(jì)和想法，設(shè)計(jì)出了一些新型的雷管，如爆炸橋絲雷管[3-4]、沖擊片雷管[5-6]、磁電雷管[7-8]和無(wú)起爆藥雷管[9-12]等。但這些雷管都是事先將發(fā)火裝置與藥柱連接在一起，從而可能導(dǎo)致藥柱發(fā)生意外爆炸。因此，研究一種將發(fā)火裝置與藥柱分離的無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)具有非常重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 作用原理

分離式裝置由發(fā)火裝置和飛片藥柱2個(gè)獨(dú)立部分組成，需要使用時(shí)再將兩者通過(guò)簡(jiǎn)單方便的方法進(jìn)行連接，其連接方式為只有在使用時(shí)，將發(fā)火裝置的輸入導(dǎo)線(xiàn)與短路的導(dǎo)線(xiàn)相連，另一端直接插入藥柱預(yù)制圓孔內(nèi)固定，其他時(shí)間發(fā)火裝置與飛片藥柱分開(kāi)。起爆器(高壓脈沖發(fā)生器)產(chǎn)生高壓脈沖，高壓脈沖通過(guò)輸入導(dǎo)線(xiàn)到達(dá)發(fā)火裝置的高壓放電電極兩端，使高壓放電電極周?chē)鷼怏w發(fā)生強(qiáng)烈電離，帶電粒子做定向運(yùn)動(dòng)，形成電子崩，電子崩向陽(yáng)極發(fā)展轉(zhuǎn)為流注，形成電離通道，使得電極氣隙阻抗降低，電極間隙被擊穿，電介質(zhì)演變成為導(dǎo)體，產(chǎn)生放電火花，引燃驅(qū)動(dòng)裝藥，驅(qū)動(dòng)飛片高速飛行，達(dá)到一定速度后撞擊爆炸藥柱并引爆，進(jìn)而引爆其他爆炸物質(zhì)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)由發(fā)火裝置和飛片藥柱組成(見(jiàn)圖1)，其中發(fā)火裝置包括殼體、輸入導(dǎo)線(xiàn)、高壓放電電極和連接套筒，飛片藥柱包括頂端敞口、底端封閉的管殼，管殼內(nèi)從上至下依次填裝有密封件、飛片驅(qū)動(dòng)裝藥、飛片和爆炸藥柱，密封件上開(kāi)設(shè)有能與發(fā)火裝置的高壓放電電極插裝配合的孔道，飛片與爆炸藥柱之間留有密閉空間。

注：1-發(fā)火裝置殼體；2-輸入導(dǎo)線(xiàn)；3-高壓放電電極；4-連接套筒；5-飛片藥柱管殼；6-密封件；7-飛片驅(qū)動(dòng)裝藥；8-飛片；9-爆炸藥柱；10-密閉間隙；11-孔道。圖1 分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of separated type non-primary explosive safe ignition system

與傳統(tǒng)的電阻式雷管相比，分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)存在以下幾個(gè)特點(diǎn):

1)不含敏感的起爆藥，藥柱所用炸藥的主要成份為黑索今或奧克托今，與常用的射孔彈所用炸藥的主要成分相同；

2)發(fā)火裝置與藥柱只有在使用時(shí)確保安全的前提下處于連接狀態(tài)，其他時(shí)間均處于分離狀態(tài)，提高了起爆裝置的安全性；

3)發(fā)火裝置不含有任何爆炸藥劑成分，在任何情況下不會(huì)單獨(dú)發(fā)生爆炸；

4)分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)屬于瞬發(fā)性起爆，容易實(shí)現(xiàn)較高的爆炸同步性。

分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)使用的專(zhuān)用高壓脈沖發(fā)生器(見(jiàn)圖2)，由控制電路和儲(chǔ)能電路兩部分組成，設(shè)計(jì)成可以安裝在普通射孔馬龍頭內(nèi)(見(jiàn)圖3)。其中控制電路完成高壓升壓、脈沖放電控制以及自鎖控制功能，儲(chǔ)能電路完成能量的蓄積和瞬間釋放。

圖2 高壓脈沖發(fā)生器模塊Fig.2 High voltage pulse generator module

圖3 專(zhuān)用高壓脈沖發(fā)生器安裝在普通射孔馬龍頭中Fig.3 Special high-voltage pulse generator is installed in thecommon perforating faucet

高壓脈沖發(fā)生器的工作原理為：將電源電壓進(jìn)行升壓，升壓后的電能在儲(chǔ)能電路中蓄積，當(dāng)達(dá)到起爆能級(jí)后，控制放電電路將儲(chǔ)能電路中的能量釋放到起爆裝置中完成引爆，同時(shí)控制電路閉鎖自鎖電路，關(guān)閉電源通道，系統(tǒng)進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，直到再次重新啟動(dòng)。

與傳統(tǒng)起爆器相比，專(zhuān)用高壓脈沖發(fā)生器有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1)使用特定的電壓工作區(qū)間，區(qū)間外的電源不能使其工作，降低了漏電等雜散電流引起的誤動(dòng)作概率；

2)能量釋放穩(wěn)定，控制電路能夠穩(wěn)定地控制蓄積能量的總量，提高了起爆裝置的可靠性；

3)具有自鎖功能，一次引爆完成后自動(dòng)關(guān)閉，提高了起爆裝置的安全性。

3 可靠性測(cè)試

3.1 直/交流發(fā)火測(cè)試

將直/交流調(diào)壓器的輸出端與分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)相連，測(cè)試在一定直、交流電的作用下，分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)是否發(fā)火。

1)直流電發(fā)火測(cè)試。將型號(hào)為sorensen DC600-1.7E直流調(diào)壓器的輸出端與分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)相連，測(cè)試在一定直流電的作用下，分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)是否發(fā)火。

從100 V開(kāi)始，以100 V為增量依次增加，直到600 V，檢測(cè)分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)是否發(fā)火。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：從100 V至600 V，分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)均未發(fā)火，這說(shuō)明600 V直流電不能引爆飛片裝藥。

2)交流電發(fā)火測(cè)試。將型號(hào)為CW1251 continuous wave AC power source交流調(diào)壓器的輸出端與分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)相連，測(cè)試在一定交流電的作用下，分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)是否發(fā)火。

從50 V開(kāi)始，以50 V為增量依次增加，直到380 V，檢測(cè)分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)是否發(fā)火。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：從50 V至380 V，分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)均未發(fā)火，這說(shuō)明380 V交流電不能引爆飛片裝藥。

3.2 引爆導(dǎo)爆索測(cè)試

將飛片藥柱分別與直徑為6 、5.3 mm導(dǎo)爆索用膠帶相連，檢測(cè)飛片藥柱能否引爆導(dǎo)爆索。用200 m膠結(jié)銅線(xiàn)將遠(yuǎn)程高壓放電裝置與分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)連接，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 引爆導(dǎo)爆索測(cè)試裝置Fig.4 Testing device of detonating detonating fuse

圖5 引爆導(dǎo)爆索測(cè)試結(jié)果Fig.5 Testing results of detonating detonating fuse

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：直徑為6、5.3 mm導(dǎo)爆索，分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)均能可靠引爆。

3.3 引爆射孔彈測(cè)試

將飛片藥柱分別與直徑為6、5.3 mm導(dǎo)爆索用膠帶相連，再將導(dǎo)爆索與射孔彈相連，檢測(cè)飛片藥柱能否引爆導(dǎo)爆索并引爆射孔彈。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖6 引爆射孔彈測(cè)試裝置Fig.6 Testing device of detonating perforating charge

圖7 引爆射孔彈測(cè)試結(jié)果Fig.7 Testing results of detonating perfoating charge

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：導(dǎo)爆索直徑為6 mm時(shí)，3發(fā)射孔彈穿深分別為168、158、161 mm，平均穿深為162 mm。導(dǎo)爆索直徑為5.3 mm時(shí)，3發(fā)射孔彈的穿深分別為158、162、165 mm，平均穿深為162 mm。均滿(mǎn)足射孔彈要求。這說(shuō)明分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)具有較高且穩(wěn)定的能量輸出。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)在石油射孔中已經(jīng)實(shí)驗(yàn)多次，用于高溫高壓射孔實(shí)驗(yàn)9次，電纜輸送射孔作業(yè)12井次，非常規(guī)分段多次射孔10井次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 點(diǎn)火系統(tǒng)在電纜輸送射孔作業(yè)中的應(yīng)用情況

表2 點(diǎn)火系統(tǒng)在分段多次射孔作業(yè)中的應(yīng)用情況

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，射孔彈起爆成功率和發(fā)射率均達(dá)到100%。

5 結(jié)語(yǔ)

1)分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)在380 V交流電和600 V直流電作用下不會(huì)發(fā)火。

2)分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)爆炸后能夠可靠引爆導(dǎo)爆索。

3)應(yīng)用分離式無(wú)起爆藥安全點(diǎn)火系統(tǒng)后的射孔起爆成功率達(dá)到100%。