陳志偉,魯坤,李勇,張虎

(西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司,陜西 西安 710061)

0 引 言

近年來,為解決頁巖氣、致密砂巖油等非常規(guī)油氣藏開發(fā)過程中儲層滲透率低的技術(shù)難題,多級分層壓裂技術(shù)和與之配套的分簇射孔、分段橋塞聯(lián)作等新工藝應(yīng)運(yùn)而生,隨之而來促進(jìn)了市場對橋塞火藥特別是小直徑、緩燃型橋塞火藥的巨大需求和更高要求。橋塞火藥作為橋塞投放工具的動力源,其用途是點火后生成高壓氣體,推動工具的活塞桿產(chǎn)生位移迫使橋塞完成坐封,并拉斷丟手環(huán)實現(xiàn)丟手?；鹚幍娜紵阅苁菢蛉鈩幼魍瓿少|(zhì)量高低的關(guān)鍵,直接關(guān)系到后續(xù)儲層的改造能否順利實施。在橋塞的坐封過程中,理想的橋塞火藥應(yīng)緩慢并充分燃燒以便輸出穩(wěn)定的氣體壓力用于做功,燃燒產(chǎn)物中不能含有塊狀殘渣而堵塞工具,不能具有腐蝕性和粘附性以影響工具的重復(fù)使用。

目前,國產(chǎn)化的橋塞火藥正逐步取代進(jìn)口產(chǎn)品[1]。其中,王亞等[2]曾研制了一種NLG型橋塞火藥,但其燃燒速度較快;張虎等[3-4]研究的復(fù)合火藥配方解決了燃燒過快的難題并得到廣泛使用,但在將該配方移植到國產(chǎn)小直徑橋塞火藥時,易出現(xiàn)燃燒性能不穩(wěn)定,主要表現(xiàn)在有時火藥燃燒不充分、燃燒產(chǎn)物中含有塊狀殘渣而堵塞工具。針對上述問題,本文以某國產(chǎn)Φ78橋塞投放工具配套研制的8號橋塞火藥(外徑Φ48 mm)為例,自行設(shè)計了密閉爆發(fā)器作為實驗裝置,開展了相關(guān)實驗,探索并簡要分析了外殼材料的導(dǎo)熱系數(shù)、調(diào)節(jié)劑含量和裝藥量等因素對橋塞火藥燃燒性能的影響,根據(jù)實驗結(jié)果對已有8號橋塞火藥的外殼材料、調(diào)節(jié)劑含量和裝藥量進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的火藥燃燒更加充分,綜合應(yīng)用性能良好。

1 實驗

1.1 原材料

硝酸鈉(NaNO3):化學(xué)純,襄陽澤東化工集團(tuán)有限公司;環(huán)氧樹脂:南通星辰合成材料有限公司,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)Q/320601NHS401;固化劑:鎮(zhèn)江丹寶樹脂有限公司,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)Q/321112CFZ01—2009;調(diào)節(jié)劑為工業(yè)級。

1.2 樣品制備

實驗所用硝酸鈉經(jīng)過球磨、干燥后過60目篩。然后根據(jù)原有8號橋塞火藥配方和理論計算,按表1所列各組分質(zhì)量百分比精確測量備用。在80 ℃～95 ℃水浴條件下將環(huán)氧樹脂和固化劑按一定比例配成粘結(jié)劑,倒入準(zhǔn)備好的硝酸鈉和調(diào)節(jié)劑并快速攪拌均勻,分別澆筑在不同材質(zhì)的外殼中,靜置固化24 h后進(jìn)行實驗。

表1 火藥配方

1.3 密閉爆發(fā)器設(shè)計

火藥的燃燒速度、產(chǎn)生的氣體壓力等性能參數(shù)和燃燒室的體積及變化情況等多種因素相關(guān)。為簡化實驗采用靜態(tài)分析方法,假定火藥在燃燒過程中燃燒室體積不變,火藥服從定容燃燒相關(guān)規(guī)律,產(chǎn)生的氣體沒有做功和宏觀流動,火藥燃燒結(jié)束時,容器內(nèi)的壓力達(dá)到最大值[5]。這樣,就可以通過密閉爆發(fā)器測量火藥在定容條件下燃燒過程的壓力變化規(guī)律,研究分析火藥的燃燒過程。

基于以上假設(shè),設(shè)計如圖1所示的密閉爆發(fā)器。密閉爆發(fā)器的本體為高強(qiáng)度鋼并采取特殊工藝加工成厚壁圓筒,以確保其可安全承受200 MPa高壓。密閉爆發(fā)器的燃燒室體積為0.8 L,和配套的橋塞投放工具燃燒室的初始體積一致。密閉爆發(fā)器的一端模擬橋塞火藥實際使用時的點火方式;另外一端設(shè)置了壓力測量系統(tǒng)和壓力釋放系統(tǒng),其中壓力測量系統(tǒng)采用高精度壓力傳感器和傳統(tǒng)銅柱測壓裝置相結(jié)合的方式。

圖1 密閉爆發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 外殼的導(dǎo)熱系數(shù)對火藥燃燒性能的影響

研究中使用了45號鋼和304不銹鋼2種導(dǎo)熱系數(shù)差異較大的金屬材料作為橋塞火藥的外殼,研究了外殼材料對火藥峰值壓力、殘渣大小等燃燒性能的影響。實驗結(jié)果見表2。

由表2可見,橋塞火藥的燃燒充分率和峰值壓力均隨外殼材料導(dǎo)熱系數(shù)的降低而增大。采用45號鋼外殼澆筑的橋塞火藥有較多部分未燃燒,留有大塊殘渣,殘渣緊貼管壁且易溶于水;而采用304不銹鋼外殼澆筑的橋塞火藥燃燒反應(yīng)更充分,塊狀殘渣顯著減少。

火藥的燃燒是一個連續(xù)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程,主要分為火藥加熱區(qū)、固相化學(xué)反應(yīng)區(qū)、混合區(qū)、暗區(qū)、火焰區(qū)等5個階段,其中后3個階段化學(xué)反應(yīng)激烈,是火藥能量最主要的釋放區(qū)域,并通過熱傳遞和熱輻射的方式為前端加熱區(qū)提供熱量,維持火藥的燃燒持續(xù)不斷地向前推進(jìn)。

對于小直徑緩燃型橋塞火藥,火藥燃燒截面積小、燃燒速度慢,在初始燃燒過程中產(chǎn)生的熱量和氣體量都少,易因熱損失嚴(yán)重而無法建立或維持穩(wěn)定的燃燒面[3],最終導(dǎo)致整體熄滅,因此維持其燃燒過程的熱量平衡尤為重要。而火藥本身是熱的不良導(dǎo)體,所以火藥的外殼就成為調(diào)整火藥燃燒過程熱量平衡的關(guān)鍵。

表2 管殼材料對火藥燃燒性能的影響

一方面,如果采用導(dǎo)熱率太低的材料如紙殼,在火藥的燃燒區(qū)域產(chǎn)生的熱量將無法及時傳遞至前端的預(yù)加熱區(qū)域,致使反應(yīng)過程所必需的熱量平衡無法建立,反應(yīng)中斷而出現(xiàn)整體熄滅[6]。另一方面,如果采用熱導(dǎo)率太高的材料,如45號鋼,則會因為外殼本身吸熱太多,并將一部分熱量傳導(dǎo)至密閉爆發(fā)器殼體及外部空氣中?；鹚幦紵^程放出的熱量損失較大,傳遞至前端加熱區(qū)的熱量不足以維持反應(yīng)的持續(xù)推進(jìn),反應(yīng)過程的熱量平衡亦會被破壞,同樣導(dǎo)致緊貼密閉爆發(fā)器一邊的火藥因熱損失較大沒有完全燃燒而出現(xiàn)大塊固體殘渣,甚至出現(xiàn)整體熄滅。

2.2 調(diào)節(jié)劑對火藥燃燒性能的影響

為進(jìn)一步消除依然存在的塊狀殘渣,研究中嘗試通過增加調(diào)節(jié)劑的含量增加火藥的孔隙率,降低火藥密度,從而改變其燃燒狀態(tài)。實驗結(jié)果見表3。

表3 調(diào)節(jié)劑含量對火藥燃燒性能的影響

對比表2實驗數(shù)據(jù),表3增加調(diào)節(jié)劑的含量后,火藥峰值壓力升高,燃燒產(chǎn)物為粉末狀炭黑,塊狀殘渣消除,說明火藥的燃燒更加充分。實驗配方中,調(diào)節(jié)劑一個至關(guān)重要的作用是膨化。調(diào)節(jié)劑在快速攪拌中均勻地分散至火藥內(nèi)部,并形成一些微小氣泡,這些氣泡在火藥固化放熱過程中進(jìn)一步擴(kuò)大,并在完成固化的火藥中形成眾多微小的孔隙,從而使火藥燃燒后形成的高溫高壓氣體更容易滲透到藥粒內(nèi)部,達(dá)到通過改善火藥的導(dǎo)熱性能而改善其燃燒性能、使其燃燒更加充分并消除塊狀殘渣。

2.3 裝藥量的調(diào)整

2.3.1 裝藥量理論計算

橋塞火藥的峰值壓力和其配套使用的投放工具相關(guān),當(dāng)其峰值壓力低于下限值時可能會導(dǎo)致橋塞坐封失敗,而高于上限值則可能損傷投放工具。改進(jìn)后的橋塞火藥在表3中測得的峰值壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于115±10 MPa的設(shè)計值(密閉爆發(fā)器內(nèi)測量值),因此,必須調(diào)整藥量以適應(yīng)工具。橋塞火藥裝藥量的計算較為復(fù)雜,首先需要根據(jù)工具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸和丟手環(huán)預(yù)設(shè)的拉斷力計算出所需要的峰值壓力,然后根據(jù)火藥在定容絕熱條件下,燃燒產(chǎn)生的峰值壓力計算火藥的裝填密度,其表達(dá)式為

pmax=f·Δ/(1-α·Δ)

(1)

式中,pmax為峰值壓力,MPa;f為火藥力,J/g;Δ為火藥裝填密度,g/cm3;α為火藥余容,(m3·h)/kg。

考慮到橋塞工具在實際作用時,工具本身的吸熱和散熱作用以及活塞的位移和做功都會產(chǎn)生能量損失,因此還需對這部分損失所造成的壓力降低進(jìn)行修正

pmax=c[f·Δ/(1-α·Δ)]

(2)

式中,c為壓力修正系數(shù)。

由式(2)計算出裝填密度后,再根據(jù)燃燒室的容積,得到最終裝藥量,其表達(dá)式為

m=Δ·Vm

(3)

式中,m為火藥裝藥量,kg;Vm為燃燒室容積,m3。

2.3.2 密閉爆發(fā)器內(nèi)實驗

依據(jù)計算結(jié)果,重新澆筑5發(fā)試樣,其中3發(fā)在密閉爆發(fā)器中測得的峰值壓力見表4。符合設(shè)計要求且一致性較好,測得的p—t曲線見圖2。

圖2 火藥在密閉爆發(fā)器中測得的p—t曲線

序號火藥配方裝藥量/g峰值壓力/MPa備注123A2420110.7113.1109.3燃燒產(chǎn)物呈粉末狀,無塊狀殘渣

2.3.3 橋塞投放工具內(nèi)實驗

另外2發(fā)試樣被裝入配套的國產(chǎn)Φ78橋塞投放工具內(nèi)進(jìn)行地面模擬實驗,以驗證橋塞火藥的綜合燃燒性能以及同工具的配合性能,實驗結(jié)果見表5。實驗表明改進(jìn)后的橋塞火藥和工具配合良好,燃燒充分且消除了燃燒產(chǎn)物中遺留的塊狀殘渣。

表5 橋塞火藥在投放工具內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)

新改進(jìn)的橋塞火藥在完成一系列地面實驗和測試后,于2018年3月配合國產(chǎn)Φ78橋塞投放工具應(yīng)用于長慶油田某區(qū)塊蘇20-32h1油井中,該井共使用4發(fā)?，F(xiàn)場應(yīng)用證明,火藥在井下燃燒性能穩(wěn)定,火藥燃燒充分,燃燒產(chǎn)物中未見塊狀殘渣,橋塞坐封可靠,滿足后續(xù)壓裂施工要求。

3 結(jié)論

(1)外殼材料的導(dǎo)熱率對小直徑緩燃型橋塞火藥的燃燒性能有顯著影響,可以通過調(diào)整外殼材料導(dǎo)熱性能調(diào)整火藥燃燒反應(yīng)過程的熱量平衡,進(jìn)而改善火藥的燃燒性能。

(2)通過增加具有膨化作用的調(diào)節(jié)劑的含量,可以增加火藥內(nèi)部的孔隙率,改變火藥自身的導(dǎo)熱性能,從而可以使火藥燃燒更加充分,消除了塊狀殘渣的存在。

(3)改進(jìn)后的橋塞火藥,經(jīng)過大量的地面實驗和井下應(yīng)用實驗,其熱量平衡穩(wěn)定,燃燒速度略有下降,燃燒充分且燃燒產(chǎn)物中再無塊狀殘渣存在,綜合應(yīng)用性能良好,達(dá)到了改進(jìn)目的。