射孔用高能激發(fā)器的設(shè)計研制

劉騰,慕光華,馮濱,劉楊,楊勛,周寧俠

(1.中國石油集團測井有限公司測井技術(shù)研究院,陜西西安710077; 2. 中國石油天然氣集團有限公司測井技術(shù)試驗基地,陜西西安710077; 3.中國石油集團測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。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。但上述二者在運輸、儲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,提高射孔作業(yè)的安全性,進而開展了高能激發(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品,和傳爆管類似,可以與射孔彈、導(dǎo)爆索同車運輸、同庫儲存。在油氣井射孔過程中的危險品運輸、儲存環(huán)節(jié)沒有電雷管,通過現(xiàn)場組裝,使用電子編碼開關(guān)控制起爆,進而起爆導(dǎo)爆索完成射孔作業(yè)施工。

1 高能激發(fā)器的設(shè)計

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,可以獨立運輸、儲存。而且主裝藥柱只在強電壓脈沖的高能量作用下才能被引爆,避免了無線電信號、漏電、靜電、撞擊等因素對主裝藥柱的影響,極大地提高了火工品的安全性。

進行射孔作業(yè)時,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)通過高壓電容進行充電儲能[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)線形成一個閉合回路。假設(shè)開關(guān)的阻抗為0 Ω,且持續(xù)放電時電極間電阻恒定,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為單位時間,s;C為電容,F;td為放電時間,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回路中的阻尼特性,從而決定了電極間的放電能量。實驗研究證實,當(dāng)高壓電容以振蕩方式放電時,最有利于形成大能量電火花點火。

1.1.3炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟理論

炸藥的傳播機理[3]大致可分為3個階段: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)與可燃物進行化學(xué)反應(yīng),加快反應(yīng)速度同時溫度升高,進一步促進分解反應(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)的壓力就會不斷增大,燃燒速度也不斷加快,當(dāng)速度達臨界值時,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

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,對高壓放電裝置進行設(shè)計和優(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,同時為了其能夠在橋塞射孔聯(lián)作中與多級點火系統(tǒng)配接,選用100 V直流電作為供電電源,為高壓放電電容進行充電。

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

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

1.3 能量轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計

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)動裝藥的熱能,為此采用高壓電極放電方式進行能量轉(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)生強電離,電荷在電極間運動,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,在對放電電極、能量轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)、安全性能進行設(shè)計論證后,采用插入式電極和螺栓固定的方式設(shè)計能量轉(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

(1)插入式電極。插入式電極采用纏繞式結(jié)構(gòu)設(shè)計,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,使用時電極主芯必須完全插入主裝藥柱的飛片驅(qū)動裝藥中,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)動裝藥。通過優(yōu)化設(shè)計,最終采用螺栓進行固定,使電極完全插入飛片驅(qū)動裝藥,保證電極在井下振動和沖擊的作用下不會產(chǎn)生移動,能可靠地引爆飛片驅(qū)動裝藥。

1.4 主裝藥柱的設(shè)計

1.4.1整體結(jié)構(gòu)

主裝藥柱主要由飛片驅(qū)動裝藥、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

(1)飛片驅(qū)動裝藥。飛片驅(qū)動裝藥在能量轉(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)動裝藥的作用是給飛片提供動能。飛片驅(qū)動裝藥直接接受高壓放電裝置的電能,其被點火能力和爆炸特性是選用飛片驅(qū)動裝藥的關(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)動裝藥,同時考慮到主裝藥柱的耐溫性能,通過試驗對飛片驅(qū)動裝藥的粒度、密度和裝藥量進行優(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,以減小對主裝藥柱殼體的沖擊。根據(jù)飛片驅(qū)動裝藥產(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)動裝藥沖擊時能被均勻剪切成大小、厚度一致的飛片。飛片驅(qū)動裝藥在能量轉(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。為了使飛片具有合適的質(zhì)量,并能夠達到一定速度,可以撞擊主裝藥并將其可靠引爆,需要對飛片材料進行優(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)動裝藥所釋放出來的能量轉(zhuǎn)換為飛片所需的動能。通過試驗對比,加速膛長度對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,加速膛太長雖然有利于飛片速度的提高,但同時也會影響飛片在加速膛中飛行的平穩(wěn)性,另外在長加速膛中,飛片飛行時在其前方產(chǎn)生的激波也會逐漸減慢飛片飛行速度。通過試驗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)爆索是手動安裝的,如果使用飛片直接沖擊導(dǎo)爆索,加速膛長度會產(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?？紤]主裝藥的安全性、使用溫度和經(jīng)濟成本等因素,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

2.1 地面測試

在完成理論研究、模塊設(shè)計后,完成了初代樣機試制,為了驗證研究成果及確保樣機的可靠性,進行地面測試。試驗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,使用起爆儀進行起爆,驗證高能激發(fā)器起爆導(dǎo)爆索的能力。通過地面測試,在優(yōu)化了飛片驅(qū)動裝藥、加速膛和主裝藥后,起爆成功率逐步提升,最終三代樣機的起爆成功率達100%(見表1)。

表1 地面測試結(jié)果

2.2 爆力測試

爆力是體現(xiàn)主裝藥柱爆炸能力的一項重要指標(biāo)[5]。爆力測試裝置使用直徑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國標(biāo)規(guī)定。

圖4 爆力測試裝置示意圖

2.3 殉爆測試

殉爆測試的目的是為了驗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。試驗時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)。隨后對未起爆的4支主裝藥柱單獨進行起爆試驗,通過試驗,4支未起爆的主裝藥柱能夠完全起爆。試驗結(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 抗工頻測試

抗工頻測試的目的是測試主裝藥柱接通不同電壓的條件下能否被直接點爆。試驗方法是先將能量轉(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,以此來測試主裝藥柱是否發(fā)生爆炸(見圖6)。共計測試40支主裝藥柱,均未被點爆。試驗結(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。針對試驗后的主裝藥柱和能量轉(zhuǎn)換裝置進行性能試驗,用高壓放電裝置進行起爆測試,所有40支主裝藥柱均完全爆炸。

圖6 試驗裝置示意圖

2.5 耐高溫測試

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

圖7 耐溫試驗示意圖

2.6 選發(fā)測試

除了常規(guī)起爆儀點火之外,為了能夠在橋塞射孔聯(lián)作中進行應(yīng)用,還需要進行多級點火系統(tǒng)的起爆測試。試驗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),最大連接級數(shù)為20級,通過多級點火系統(tǒng)進行選發(fā)開關(guān)的供電,依次進行選發(fā)起爆,驗證高能激發(fā)器的選發(fā)起爆能力,進行2組試驗,每組20支高能激發(fā)器,共計40支,全部起爆成功(見圖8)。試驗結(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點火系統(tǒng)進行配接,并完成20級的選發(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)測試示意圖

3 現(xiàn)場試驗

3.1 標(biāo)準(zhǔn)井試驗

在進行生產(chǎn)井試驗之前首先在標(biāo)準(zhǔn)井中進行起爆測試,為了真實模擬生產(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

在完成了組件設(shè)計、樣機加工和性能試驗后,在長慶地區(qū)生產(chǎn)井中進行了3井次的現(xiàn)場試驗,使用多級射孔系統(tǒng)進行點火控制,起爆成功率100%(見表2)。

表2 現(xiàn)場試驗情況

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,實現(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、環(huán)保。

(2)通過各種性能試驗,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)場運輸、儲存和使用條件,但是為了進一步檢驗其適用性,還需要開展大規(guī)模推廣應(yīng)用加以驗證。

(3)高能激發(fā)器與高壓放電裝置能夠很好地與多級點火系統(tǒng)進行配接完成選發(fā)點火,為其在橋塞射孔聯(lián)作中的應(yīng)用打下了堅實基礎(chǔ)。