李云,杜明章,雷新華,付代軒,吳煥龍

(四川石油射孔器材有限責(zé)任公司,四川 隆昌 642150)

0 引 言

隨著國內(nèi)外超深井、超高溫井的勘探任務(wù)日益增長,超高溫射孔彈的市場(chǎng)需求也呈逐年上升的趨勢(shì)。目前中國射孔彈性能測(cè)試主要進(jìn)行地面模擬測(cè)試,即將射孔彈與模擬槍管、模擬套管的鋼墊塊組裝后,引爆射孔彈進(jìn)行打靶,量取射孔彈的穿孔深度[1]。這種模擬性能測(cè)試的方式與射孔彈井下實(shí)際工況條件存在較大差異,主要表現(xiàn)在模擬槍管與套管之間沒有任何流體介質(zhì),打靶條件為常溫常壓,而這些條件正是影響射孔彈穿深性能的關(guān)鍵因素。因此,射孔彈在井下的性能表現(xiàn)與地面測(cè)試性能往往存在巨大差異,并不能真實(shí)反映射孔彈在高溫高壓作業(yè)條件下的穿深水平[2]。因此,研究超高溫射孔彈在井下高溫高壓條件下的穿靶特性和性能變化規(guī)律,對(duì)于設(shè)計(jì)和制造滿足市場(chǎng)需求的超高溫射孔彈,同時(shí)為高溫高壓井施工制定更具針對(duì)性的解決方案等方面都具有指導(dǎo)意義。

1 高溫高壓穿靶試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

1.1 高溫高壓穿靶試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用的是由四川石油射孔器材有限責(zé)任公司自主建造的高溫高壓試驗(yàn)裝置,該裝置由高溫高壓釜體、氣源系統(tǒng)、超高壓水加壓系統(tǒng)、循環(huán)加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、監(jiān)視測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成,能進(jìn)行射孔彈在釜體內(nèi)的高溫高壓穿靶試驗(yàn)。

該系統(tǒng)利用電加熱器對(duì)導(dǎo)熱油加熱至試驗(yàn)溫度,通過循環(huán)油泵和管線將導(dǎo)熱油輸送至釜體外層夾層,通過熱傳導(dǎo)對(duì)釜體和釜體介質(zhì)(水)進(jìn)行加熱至試驗(yàn)溫度;利用空氣壓力系統(tǒng)作為超高壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓力,通過超高壓泵往釜體內(nèi)注水加壓至試驗(yàn)壓力,最高能夠達(dá)到210 ℃、200 MPa的試驗(yàn)條件。

利用射孔彈打靶組件,將射孔彈、模擬槍管、模擬套管、試驗(yàn)靶心等裝配好后,下入釜體中加溫加壓,能夠?qū)崿F(xiàn)模擬地層溫度和壓力條件下的射孔彈穿靶試驗(yàn)(見圖1)。

圖1 射孔彈打靶組件示意圖

1.2 試驗(yàn)方案

為研究超高溫射孔彈在不同溫度壓力條件下的穿深特性變化規(guī)律,結(jié)合試驗(yàn)裝置的技術(shù)條件,制定試驗(yàn)方案。

(1) 選用國際射孔彈穿深測(cè)試通用的四川砂巖靶為試驗(yàn)靶[3],選用89HNS型超高溫射孔彈為試驗(yàn)彈型,模擬實(shí)際裝槍條件進(jìn)行穿深測(cè)試。

(2) 在常壓條件,測(cè)試射孔彈在常溫、140 ℃/1 h、180 ℃/1 h、180 ℃/72 h條件下的穿深,考察溫度時(shí)間對(duì)射孔彈穿深性能的影響。

(3) 在常溫條件下,測(cè)試射孔彈分別在常壓、70、105、140 MPa條件下的穿深,考察壓力對(duì)射孔彈穿深性能的影響。

(4) 在高溫高壓條件下,測(cè)試射孔彈在140 ℃/105 MPa/72 h、180 ℃/105 MPa/72 h、180 ℃/105 MPa/150 h條件下的穿深,考察溫度壓力對(duì)射孔彈穿深性能的影響。

(5) 結(jié)合以上實(shí)驗(yàn),對(duì)比溫度、壓力對(duì)射孔彈的穿深影響,獲得射孔彈穿深性能的變化規(guī)律。

1.3 試驗(yàn)用射孔彈及靶心的技術(shù)參數(shù)

(1) 射孔彈。試驗(yàn)選用89HNS型超高溫射孔彈為試驗(yàn)彈型,并通過批量抽樣后地面打靶測(cè)試,計(jì)算出射孔彈的穩(wěn)定性指標(biāo)[4],選用穩(wěn)定性最好的產(chǎn)品批次,以盡可能減少射孔彈穿深穩(wěn)定性給后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。試驗(yàn)選用的射孔彈具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 89HNS射孔彈技術(shù)參數(shù)

(2) 試驗(yàn)靶心。試驗(yàn)選用Φ102 mm×1 000 mm四川砂巖靶心作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)靶,為了使靶心更加符合地層實(shí)際情況,采用水中加壓(18 MPa)的方法使靶心最終達(dá)到水飽和狀態(tài)[3]。試驗(yàn)選用的四川砂巖靶心技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 四川砂巖靶心技術(shù)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

按照試驗(yàn)方案,測(cè)試了89HNS型超高溫射孔彈在不同溫度壓力條件下的砂巖靶穿深數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)獲得的穿深數(shù)據(jù)(見表3),繪制出了射孔彈在高溫常壓條件下、常溫高壓條件下以及高溫高壓條件下的穿深變化趨勢(shì)圖。

表3 不同溫度壓力試驗(yàn)條件下的射孔彈穿深

2.1 高溫常壓條件對(duì)射孔彈穿深性能的影響

由圖2可見,在常壓條件下,隨著溫度和時(shí)間的增加,射孔彈的穿深呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),但是曲線非常緩和。這是因?yàn)殡S著溫度和時(shí)間的不斷增加,炸藥的熱分解效應(yīng)也隨之加速,炸藥分解產(chǎn)生的氣體在射孔彈內(nèi)形成體積膨脹,引起爆壓、爆速、裝藥密度的降低[5],從而導(dǎo)致了射孔彈的穿深降低。但是,當(dāng)?shù)貙訙囟鹊陀谏淇讖椀哪蜏刂笜?biāo)時(shí),炸藥的熱分解效應(yīng)非常緩慢,因此對(duì)射孔彈穿深形成的影響較為有限,當(dāng)?shù)貙訙囟雀哂谏淇讖椖蜏刂笜?biāo)時(shí),炸藥的熱分解效應(yīng)加劇,射孔彈穿深將會(huì)受到顯著影響,嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致射孔彈拒爆。

圖2 高溫常壓條件射孔彈的穿深變化

2.2 常溫高壓條件對(duì)射孔彈穿深性能的影響

由圖3可見,在常溫條件下,隨著壓力的增加,射孔彈的穿深呈明顯下降趨勢(shì),且受影響的程度要遠(yuǎn)大于溫度所造成的影響。這是因?yàn)殡S著壓力的不斷增加,靶心受壓后孔隙度減小,靶強(qiáng)增大,導(dǎo)致穿深明顯下降;另一方面,在靜水壓條件下,介質(zhì)密度增大,射孔彈形成的高速射流頭部沖擊釜體內(nèi)的水介質(zhì),形成高密度帶,引起水的汽化和壓力擾動(dòng),從而大大降低了射流的持續(xù)性,對(duì)射流的持續(xù)開孔能力造成了明顯影響。

圖3 常溫高壓條件射孔彈的穿深變化

2.3 高溫高壓條件下對(duì)射孔彈穿深性能的影響

由圖4可見,在高溫高壓條件下射孔彈的穿深性能劇烈下降,在接近射孔彈的極限耐溫指標(biāo)的條件下(180 ℃/105 MPa/150 h),射孔彈的穿深數(shù)據(jù)降到最低,穿深性能與地面條件測(cè)試數(shù)據(jù)相比,下降幅度達(dá)到69.2%。這是因?yàn)樵陂L時(shí)間的高溫條件下,炸藥熱分解效應(yīng)持續(xù)增強(qiáng),炸藥爆轟做功能力大幅減弱,同時(shí)靶心在長時(shí)間的高溫壓力作用下導(dǎo)致靶強(qiáng)增強(qiáng)[6],加上靜水壓條件下介質(zhì)對(duì)射流產(chǎn)生的影響,使得射孔彈的穿深性能產(chǎn)生大幅下降。

圖4 高溫高壓條件下射孔彈的穿深變化

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

(1) 超高溫射孔彈在實(shí)際工況條件下的穿深性能與地面測(cè)試性能存在較大差異。

(2) 超高溫射孔彈的穿深性能隨井下溫度的升高和施工時(shí)間的延長而逐漸降低,但是當(dāng)井下溫度低于超高溫射孔彈的耐溫指標(biāo)(200 ℃/48 h,192 ℃/100 h)時(shí),這種影響效應(yīng)非常有限。

(3) 超高溫射孔彈的穿深性能受工況壓力的影響要明顯大于溫度的影響,地層和井筒壓力越大,穿深越低。

(4) 在最能反映地層實(shí)際射孔效能的高溫高壓條件下,超高溫射孔彈的穿深性能受影響最為顯著,在本次試驗(yàn)中穿深下降幅度最高達(dá)69.2%。

3.2 建 議

(1) 超高溫射孔彈在制造過程中,應(yīng)在口部涂封耐高溫封口膠,以減少高溫條件下產(chǎn)生藥柱松動(dòng)、脫落的風(fēng)險(xiǎn),提高射孔彈的穩(wěn)定性。

(2) 深井超深井射孔施工所采用的射孔彈,由于射孔彈實(shí)際工況條件與地面條件相差很大,應(yīng)該以高溫高壓條件下的檢測(cè)穿深數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

(3) 深井超深井射孔施工應(yīng)科學(xué)制定施工計(jì)劃,以盡可能的減少射孔管串在井下的作業(yè)時(shí)間,從而達(dá)到提高射孔效能和成功率的目的。

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