高抗硫化氫無(wú)槍身深穿透射孔彈研制

李必紅,趙開(kāi)良,王喜,趙效鋒,李尚杰

(1.物華能源科技有限公司,陜西西安710061;2.中石化經(jīng)緯有限公司中原測(cè)控公司,河南濮陽(yáng)457000;3.中石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院,河南濮陽(yáng)457000)

0 引 言

普光氣田為高含硫化氫整裝海相氣田[1-5],其硫化氫含量11%～17%,二氧化碳含量8%～14%。投產(chǎn)初期該區(qū)塊所有井全部?jī)?chǔ)氣層段同時(shí)開(kāi)采,完井管柱采用帶封隔器的酸壓生產(chǎn)一體化永久管柱[6]。隨著該區(qū)塊天然氣的不斷開(kāi)采,通過(guò)生產(chǎn)剖面測(cè)試,發(fā)現(xiàn)大部分氣井井筒堵塞嚴(yán)重,生產(chǎn)剖面產(chǎn)能效率較低。該區(qū)塊45%的氣井產(chǎn)出氣層厚度不足射孔投產(chǎn)氣層厚度的25%,嚴(yán)重影響氣井產(chǎn)能[7-8]。為了提高普光氣田氣井產(chǎn)能,必須采用過(guò)油管施工工藝對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行二次射孔。

普光氣田儲(chǔ)層屬于致密碳酸鹽儲(chǔ)層,主要發(fā)育溶洞型孔隙,其套管至儲(chǔ)層污染帶的厚度約為269.65 mm[9]。受到75.9 mm油管內(nèi)徑的影響,采用常規(guī)小直徑射孔器無(wú)法穿透儲(chǔ)層污染帶,施工風(fēng)險(xiǎn)較大,需盡量采用大尺寸的深穿透無(wú)槍身射孔彈施工作業(yè)。

相比有槍身射孔工藝,無(wú)槍身射孔彈的研究發(fā)展緩慢,并且其穿深性能較低[10],無(wú)法滿(mǎn)足普光氣井增產(chǎn)的目的。因此,需開(kāi)發(fā)一種新型深穿透無(wú)槍身射孔彈,應(yīng)具備抗硫化氫、承壓和高穿透性能。本文從抗硫化氫材料選擇、裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和承壓設(shè)計(jì)等方面論述高抗硫無(wú)槍身深穿透射孔彈的研制與性能測(cè)試。

1 抗硫化氫彈殼材料優(yōu)選

射孔彈殼體材料通常采用45號(hào)鋼,為提高射孔彈井下作業(yè)的穩(wěn)定性和抗腐蝕性,選擇屈服強(qiáng)度更大的40Cr和42CrMo材料,進(jìn)行抗硫化氫測(cè)試。參照ANSI/NACE TM0177—2016《金屬在H2S環(huán)境中抗特殊形式的環(huán)境開(kāi)裂材料的試驗(yàn)室試驗(yàn)方法》第9部分NACE標(biāo)準(zhǔn)彎梁試驗(yàn)進(jìn)行抗硫化氫性能測(cè)試,將2種材料的表面分別鍍鋅和鍍鉻處理。根據(jù)材料屈服強(qiáng)度,計(jì)算相應(yīng)的撓度,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試樣撓度計(jì)算結(jié)果表

實(shí)驗(yàn)溫度為130 ℃,實(shí)驗(yàn)時(shí)間720 h,計(jì)算中加載100%屈服強(qiáng)度的應(yīng)力。試驗(yàn)前后對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖1,試驗(yàn)樣品編號(hào)分布由左向右依次為1號(hào)40Cr鍍鉻、2號(hào)40Cr鍍鋅、3號(hào)42CrMo鍍鋅、4號(hào)42CrMo鍍鉻。

圖1 樣品抗硫化氫測(cè)試后處理前后對(duì)比圖

由圖1可知,鍍鉻表面較鍍鋅表面腐蝕嚴(yán)重,將樣品表面處理后,在100X顯微鏡下觀察,未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋,未出現(xiàn)硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象,即在100%屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下開(kāi)裂概率較低,滿(mǎn)足抗硫化氫條件。此外,由表1可知,42CrMo的屈服強(qiáng)度大于40Cr的屈服強(qiáng)度,因此,射孔彈材料選用42CrMo表面鍍鋅處理。

2 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝藥結(jié)構(gòu)決定了炸藥能量的分配和利用率[11],由于受到油管空間的限制,為了提高射流速度和侵徹深度,應(yīng)盡量提高裝藥高度與直徑的比例。同時(shí)改變炸藥爆轟波形,提高炸藥爆轟能量的利用率和射孔彈的聚能效應(yīng)。

圖2(a)為新設(shè)計(jì)的無(wú)槍身彈殼,圖2(b)為舊結(jié)構(gòu)的無(wú)槍身彈殼,二者均由2個(gè)不同錐角組成。圖2(a)中第I部分頂部采用大直徑平臺(tái)結(jié)構(gòu),有利于將爆轟波反射成球面和平面相結(jié)合的波形,增大爆轟波壓垮藥型罩的角度,進(jìn)而提高炸藥能量利用率。圖2(a)第II部分將舊結(jié)構(gòu)的第II、III部分結(jié)合,減少了裝藥側(cè)角。為了提高射孔彈的穿透性能和起爆穩(wěn)定性,采用分次預(yù)壓藥工藝,提高裝藥密度的均勻性。由此裝藥密度達(dá)到理論密度90%以上,保證了產(chǎn)品起爆率,同時(shí)使得產(chǎn)品整體性能達(dá)到最優(yōu)。

圖2 新舊裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

3 藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

藥型罩結(jié)構(gòu)是射流速度梯度和能量分布作用的基礎(chǔ),合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能使其發(fā)揮最佳作用。起爆后炸藥壓垮藥型罩形成射流,射流各部分的速度存在差異,射流的頭部速度較高可達(dá)7 000 m/s,尾部速度只有1 000 m/s,高差異速度梯度使得射流存在斷裂可能。所以藥型罩除了其材料要具備優(yōu)良的延性,還需要合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),才能使射流長(zhǎng)度比原長(zhǎng)延伸幾倍而不斷裂。

圖3(a)為新型藥型罩設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(喇叭型),與圖3(b)經(jīng)典藥型罩設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(圓錐型)相比,新型藥型罩采用變錐角加內(nèi)外弧形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高在較小空間內(nèi)藥型罩的母線(xiàn)長(zhǎng)度,所形成的射流速度沿長(zhǎng)度呈連續(xù)段梯度變化。因此,在同等高度情況下,藥型罩下半段弧線(xiàn)長(zhǎng)度提升,使得新結(jié)構(gòu)藥型罩形成射流頭部速度大,運(yùn)行過(guò)程中射流穩(wěn)定性好,能夠?qū)崿F(xiàn)較好穿透性能。圖3中SR1、SR2分別為內(nèi)外頂角半徑,R1、R2分別為藥型罩上半段外壁和內(nèi)壁半徑,R3、R4分別為藥型罩下半段外壁和內(nèi)壁半徑,H為藥型罩高度,H1為藥型罩下半段高度,D為藥型罩口徑。

圖3 新型藥型罩結(jié)構(gòu)和經(jīng)典藥型罩結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

4 承壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品承壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括隔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和端面密封設(shè)計(jì),導(dǎo)爆索槽與裝藥之間采用隔板設(shè)計(jì)。無(wú)槍身射孔彈需承受90 MPa以上壓力,導(dǎo)爆索起爆的能量因隔板而衰減導(dǎo)致不穩(wěn)定,影響無(wú)槍身射孔彈的性能和起爆率。因此,隔板的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,既要保證可靠傳爆,又要保證可靠的耐壓性。在設(shè)計(jì)隔板時(shí),采用圓弧光滑過(guò)渡結(jié)構(gòu),保證承壓能力和起爆可靠性,如圖4(a)所示。采用套管行業(yè)抗外擠強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行強(qiáng)度校核[12],其公式如下

(1)

式中,Pyp為抗擠壓強(qiáng),MPa;δs為管材屈服強(qiáng)度,MPa;D為管材外徑,mm;t為管材壁厚,mm。

設(shè)管材外徑為5.50 mm、壁厚為0.35 mm、管材屈服強(qiáng)度為930 MPa,將他們代入式(1)計(jì)算可知,當(dāng)隔板厚度為0.35 mm時(shí),承壓達(dá)110.80 MPa,滿(mǎn)足使用要求。為了在有限的作業(yè)空間提高射孔彈的穿深性能,殼體端蓋采用圓弧臺(tái)階設(shè)計(jì),在保證承壓的同時(shí)提高有效炸高,增加射流拉伸長(zhǎng)度。端面密封結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。

圖4 無(wú)槍身射孔彈局部結(jié)構(gòu)

5 性能試驗(yàn)測(cè)試

5.1 耐壓性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證產(chǎn)品的耐壓性能,在殼體內(nèi)填塞棉花后進(jìn)行裝配。采用高壓試驗(yàn)裝置進(jìn)行耐壓試驗(yàn),裝置為密閉空心管,長(zhǎng)度為650 mm,將試驗(yàn)射孔彈放入其中進(jìn)行水壓試驗(yàn)(見(jiàn)圖5),選用射孔彈型號(hào)為90SDP34RDX24-1,裝藥型號(hào)為黑索金,裝藥量為24 g。

圖5 耐壓測(cè)試裝置示意圖

耐壓過(guò)程中加壓至70 MPa時(shí)穩(wěn)壓5 min,壓力穩(wěn)定后繼續(xù)加壓至94 MPa,壓力穩(wěn)定后保壓30 min取出射孔彈。試驗(yàn)過(guò)程中,壓力顯示無(wú)明顯突變,將耐壓試驗(yàn)后射孔彈進(jìn)行拆卸(見(jiàn)圖6),導(dǎo)爆索槽處無(wú)凹陷、殼體內(nèi)棉花干燥、無(wú)液體滲入,驗(yàn)證其整體密封性良好,滿(mǎn)足耐壓指標(biāo)要求。

圖6 耐壓試驗(yàn)后拆卸的射孔彈

5.2 地面穿鋼靶性能測(cè)試

采用模擬裝槍穿靶測(cè)試方法[13],模擬射孔器與套管間隙10 mm。試驗(yàn)裝配如圖7所示。

圖7 地面模擬裝槍穿目標(biāo)靶示意圖

測(cè)試用的45鋼靶,其主靶高度為180 mm、副靶高度為20 mm,測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。射孔深度均值超過(guò)200 mm,模擬套管孔徑均值為9.8 mm。

表2 產(chǎn)品地面穿鋼靶測(cè)試數(shù)據(jù)

5.3 地面穿混凝土靶性能測(cè)試

將目標(biāo)靶換成API柱狀混凝土靶,柱狀混凝土靶總高度為1 000 mm,單軸抗壓強(qiáng)度為40 MPa,測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由此可知,無(wú)槍身射孔彈的穿深指標(biāo)滿(mǎn)足技術(shù)要求。測(cè)試結(jié)果如表3所示,射孔深度均值為997.5 mm,套管模擬射流出口孔徑均值為10.4 mm。

表3 產(chǎn)品地面穿API柱狀混凝土靶測(cè)試數(shù)據(jù)

5.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在普光xxx氣井,采用63型無(wú)槍身射孔彈對(duì)5 720.5～5 829.0 m等7個(gè)井段共計(jì)30 m儲(chǔ)層開(kāi)展電纜輸送過(guò)油管射孔帶壓作業(yè),射孔16孔/m,相位角45°/90°,每次下井射孔長(zhǎng)度為3 m,共裝49發(fā)彈。共下井10次,點(diǎn)火成功率100%,射孔彈發(fā)射率100%。射孔作業(yè)前該井井口油壓為10 MPa,日產(chǎn)氣36.72×105m3。射孔作業(yè)后,井口油壓穩(wěn)定在10.5 MPa,日產(chǎn)氣39.7×105m3。折算井口油壓為10 MPa時(shí),產(chǎn)量增長(zhǎng)6.2×105m3/d,可見(jiàn)采用過(guò)油管射孔施工作業(yè)增產(chǎn)效果明顯。

6 結(jié) 論

(1)相比于40Cr,42CrMo機(jī)械性能更優(yōu),有更高的屈服強(qiáng)度。射孔彈殼體材料采用表面鍍鋅的42CrMo,可以滿(mǎn)足普光氣田高含硫化氫環(huán)境下過(guò)油管施工的要求。

(2)采用大直徑平臺(tái)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和雙圓弧喇叭型藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高射孔彈炸藥的利用率和射流的長(zhǎng)度,提高產(chǎn)品的穿深性能。

(3)隔板采用圓弧光滑過(guò)渡設(shè)計(jì),不僅能滿(mǎn)足射孔彈的承壓要求,同時(shí)也能提高射孔彈的起爆可靠性。

(4)通過(guò)性能測(cè)試,射孔彈耐壓達(dá)94 MPa,滿(mǎn)足無(wú)槍身射孔彈90 MPa耐壓要求,平均混凝土靶射孔深度均值為997.5 mm,套管模擬射流出口孔徑均值為10.4 mm,下井施工取得很好的增產(chǎn)效果。