李東傳，張晨，石建，余海鷹

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

0 引 言

由于對國內聚能射孔器產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，國內大部分高溫井首選使用國外的耐高溫射孔器材產品。

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；國內射孔器材生產廠家一般依據(jù)炸藥生產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（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)場需求和試驗經費的限制等原因，尚未對國內生產的全部耐高溫射孔器產品進行更高溫度—時間條件下的全面性能測試。本文結合油田現(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 設備

試驗使用的設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，內部空間為1．2m×1．2m×1．8m。能夠對現(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移到試驗裝置中去，整個轉移時間為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，在有效期內性能變化不大。中國關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的參數(shù)。

式（1）中有2個變量與炸藥相關，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。炸藥的熱分解反應過程十分復雜，從化學反應動力學角度研究炸藥熱分解已經建立起熱分解反應速度的數(shù)學模型，通?；瘜W反應動力學可用式（2）描述

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

隨著炸藥分解份數(shù)的增加，反應速度逐漸下降。炸藥的熱分解時產生氣體、生成新的產物同時釋放出熱量，釋放出的氣體使射孔器內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部的應力分布；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構穩(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果

2．2 設計對聚能射孔器穿孔性能的影響

聚能射孔器的設計包括炸高、間隙等參數(shù)，不同的設計得到的穿孔性能指標不同。由于內部空間的限制，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系列產品設計時未充分考慮溫度對炸藥性能的影響或未達到有效設計優(yōu)化，所以經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系列產品設計時充分考慮到了溫度對炸藥性能的影響，并進行了有效設計優(yōu)化，所以經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。通過調整設計方案進行優(yōu)化設計，可以改變溫度對穿孔性能的影響結果，從而達到提高某一特定條件下產品穿孔性能的目的。

（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［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］∥射孔新技術研討會論文選集．中國石油學會測井專業(yè)委員會射孔分會射孔新技術研討會，2005：1－7．

［5］董經利，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，2008，32（2）：100－104．

［6］董經利，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)境適應性研究［J］．火炸藥，1997（1）：15－19．