復(fù)合射孔器泄壓技術(shù)研究

賈大勇，周 曌 ，常 昕，李 勇

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，廣東 湛江，524057；2.西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司，陜西 西安，710061）

隨著低孔滲油田勘探開發(fā)的需要，復(fù)合射孔技術(shù)得到了廣泛的推廣使用，這種射孔技術(shù)能有效地改造地層結(jié)構(gòu)，增大地層裂縫，提高單井產(chǎn)量，投資少、見效快，被作為增產(chǎn)的主要技術(shù)手段而獲得廣泛的應(yīng)用。

由于復(fù)合射孔是利用炸藥與壓裂藥的燃速差來實現(xiàn)先射孔后壓裂，為了避免槍內(nèi)壓力急速增高引起炸槍、炸井等事故，必須在射孔槍上設(shè)泄壓孔。目前槍身上泄壓孔主要有兩種：一種為通孔人工粘貼的結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)為在槍身上加工臺階通孔，然后人工在臺階處粘墊片。經(jīng)分析該種形式在井下作業(yè)中存在如下隱患：一是槍身下井時，槍身與套管內(nèi)壁摩擦，有刮掉通孔墊片的可能，如果一個泄壓孔發(fā)生滲漏，槍身進水，將導(dǎo)致射孔彈聚爆、槍身炸裂，造成管柱遇卡事故；二是泄壓孔式復(fù)合射孔槍的槍身泄壓孔采用臺階通孔人工粘貼泄壓墊的結(jié)構(gòu)，射孔后，粘貼鐵墊全部脫落（按16孔/m，射孔井段100m，共有1 600個），鐵墊在起槍過程中，極易堆積，易發(fā)生管柱遇卡事故，且泄壓墊破碎物在井筒內(nèi)容易形成二次污染。另外一種為外盲孔泄壓結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)為在槍身上加工盲孔，如果盲孔厚度選擇適當(dāng)，既能保證槍身的耐外壓，又能保證射孔彈發(fā)射后泄壓盲孔自然打開，避免槍內(nèi)壓力急速增高引起炸槍、炸井等事故，而且該種結(jié)構(gòu)不存在粘貼鐵墊脫落問題。所以外盲孔式復(fù)合射孔槍可以降低射孔過程中的風(fēng)險系數(shù)，增加安全可靠性。

本文通過試驗的方法對9mm壁厚102槍進行研究，綜合考慮泄壓孔直徑、厚度、形狀等因素對槍身變形的影響，設(shè)計了一種深盲孔式泄壓結(jié)構(gòu)，對復(fù)合射孔槍泄壓盲孔的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。該技術(shù)已在南海西部WZ12-1-B16井復(fù)合射孔中成功應(yīng)用。

1 影響復(fù)合射孔槍泄壓的因素

1.1 復(fù)合射孔槍受力分析

1.1.1 槍內(nèi)峰值壓力

假設(shè)火藥燃燒產(chǎn)生的氣體充滿整個槍身[1]，因此火藥燃?xì)獾捏w積可計為槍身內(nèi)容積[2]，槍內(nèi)峰值壓力為：

式（1）中：p′為槍內(nèi)壓力；f為火藥力；m為裝藥量；p0為靜液壓；V為射孔槍槍身內(nèi)自由容積；φ為達到峰值壓力時火藥燃燒的百分率，一般為0.5～0.6。

為使問題簡化，不考慮彈架等配件對槍身內(nèi)體積的影響。

式（2）中：d為射孔槍內(nèi)徑；h為射孔槍槍身長度。

1.1.2 射孔槍耐壓強度

按照增效射孔器的設(shè)計原理[3-4]，槍身內(nèi)射孔彈引爆后在槍身上穿透若干小孔，這些小孔就成為槍身內(nèi)發(fā)射藥團燃燒氣體的泄氣孔，當(dāng)泄氣孔泄氣速度小于火藥燃?xì)馍伤俣葧r，火藥燃燒氣體就要在槍身內(nèi)聚集，并使槍身內(nèi)的壓力升高。槍身內(nèi)壓力越高，通過射孔孔眼的射流速度越快，氣體速度越快，對射孔孔眼的沖刷力量就越大。按照第一強度理論（根據(jù)薄壁圓筒

式（3）中：bσ為管子的屈服強度；r1為管子的外半徑；r2為管子的內(nèi)半徑。

因為增效射孔器是在井下工作，槍身承受一定的靜水壓力，因此式（1）可寫為：

式（4）中：p0為油井壓檔水柱壓力。

由式（4）可以看出，管子的屈服強度越大、管子越厚，管子耐壓就越大。槍身材料能否受得住射孔和火藥爆燃產(chǎn)生的高壓，是保證井下作業(yè)是否安全的關(guān)鍵。

1.2 泄壓孔直徑對槍身泄壓的影響

當(dāng)無泄壓孔或孔徑太小時，槍內(nèi)爆燃產(chǎn)物氣體釋放速度慢，槍內(nèi)壓力急劇升高導(dǎo)致槍身的大變形；泄壓孔開孔太大則降低了槍身本身的強度，也會導(dǎo)致槍身的大變形。合理的泄壓孔設(shè)計可以控制爆燃?xì)怏w產(chǎn)物的釋放速度，不僅能保證槍身設(shè)計的安全性，而且可以有效控制槍內(nèi)壓力的急劇升高，達到槍身安全情況下最佳的作用效果。根據(jù)以往經(jīng)驗，泄壓孔直徑一直都設(shè)計為32mm，根據(jù)現(xiàn)場使用的情況來看，此種直徑的泄壓孔雖然能滿足泄壓的要求，但是普遍出現(xiàn)了毛刺較高的問題，影響其使用。

1.3 泄壓孔形狀對槍身泄壓的影響

泄壓孔的形狀直接影響盲孔的強度，選用合適的泄壓孔形狀不僅能夠使泄壓孔在薄壁的情況下保證其抗外壓強度，還能更好地解決爆燃?xì)怏w產(chǎn)物釋放過程中造成的射孔槍毛刺過高的問題。最早使用的泄壓孔形狀如圖1（a）所示，此種泄壓孔結(jié)構(gòu)非常合理，現(xiàn)場使用效果也非常不錯，但是加工刀具是用手工磨制的，對人員及設(shè)備的要求非常高，所以很快被取代。目前最常用的泄壓孔形狀如圖1（b）所示，這種泄壓孔加工非常方便，但由于此種泄壓孔全是薄壁狀態(tài)，因此在現(xiàn)場使用的過程中往往出現(xiàn)毛刺過高的問題。針對此種情況，將此種形狀進行改良，采用圓弧倒角以增加其強度，其結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示。

圖1 泄壓孔形狀Fig.1 The shape of decompression hole

1.4 泄壓孔深度對槍身泄壓的影響

開設(shè)泄壓孔是為了提高射孔效果，同時快速釋放槍內(nèi)壓力避免炸槍，但是盲孔的開設(shè)會影響槍體的強度。當(dāng)泄壓孔太厚時，槍內(nèi)爆燃產(chǎn)物氣體釋放速度較慢，槍內(nèi)壓力急劇升高導(dǎo)致槍身的大變形；當(dāng)泄壓孔開孔太薄則降低了槍身本身的強度，也會導(dǎo)致槍身的大變形。因此選擇合適的泄壓孔厚度對射孔槍泄壓的安全性具有重大的影響。

2 試驗及結(jié)果分析

通過上述分析，為了得到泄壓孔孔徑、形狀以及厚度的最佳參數(shù)，需要對射孔槍進行地面抗爆試驗，裝置簡圖如圖2所示。裝置采用1m長、9mm壁厚102型射孔槍，DP43RDX-1型射孔彈、831g藥量的某型火藥進行射孔測試，在射孔槍引爆后，對射孔槍表面毛刺及脹形量進行測定。。

圖2 抗爆試驗裝置示意圖Fig.2 Test device for anti-explosive of perforator

2.1 泄壓孔孔徑的影響

選取平底孔和某圓弧孔2種泄壓孔形狀的射孔槍，在直徑分別為32mm、28mm、24mm、20mm下進行試驗，每個直徑進行3組試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，不管是平底孔還是RX2圓弧孔，當(dāng)泄壓孔直徑在28mm時，槍身變形和毛刺高度最小。這是因為當(dāng)泄壓孔直徑在20mm和24mm時，槍內(nèi)爆燃產(chǎn)物釋放速度較慢，造成槍內(nèi)壓力急劇升高，從而導(dǎo)致槍身大的變形；而當(dāng)泄壓孔直徑在32mm時，雖然此時槍內(nèi)爆燃產(chǎn)物的釋放速度已經(jīng)比較快，但是泄壓孔直徑增大導(dǎo)致槍身強度降低，因此槍身變形和毛刺也相對比較大。

圖3 不同直徑泄壓孔試驗結(jié)果Fig.3 Testing result on different diameter of decompression hole

2.2 泄壓孔形狀的影響

選取錐形孔、平底孔、RX1圓弧孔、RX2圓弧孔4種不同形狀的泄壓孔，在孔徑28mm、32mm兩個不同水平上做對比試驗，每個水平做3組試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同形狀泄壓孔試驗結(jié)果Fig.4 Testing result on different shapes of decompression hole

由圖4可以看出，錐形孔不管是槍身變形量和毛刺高度都最小，平底孔的變形和毛刺高度最大，RX2圓弧孔要比RX1圓弧孔的變形量和毛刺高度要小。這說明圓弧孔要比平底孔優(yōu)越，同時RX2由于增大了圓角從而增加了槍身的強度，因此效果要比RX1的好。據(jù)此對相同厚度的RX2圓弧泄壓孔和平底泄壓孔做了耐外壓試驗，試驗結(jié)果證明RX2圓弧泄壓孔在外壓105MPa時不泄露，不產(chǎn)生明顯變形，而平底泄壓孔在外壓為90MPa時槍體破裂泄露。

2.3 泄壓孔深度的影響

選取平底孔、RX2圓弧孔兩種不同形狀的泄壓孔在孔深從5.5～8.5mm之間進行抗爆試驗，試驗結(jié)果如圖5所示，不同泄壓孔深度的射孔槍射孔后的槍身狀況如圖6～7所示。

圖5 不同深度泄壓孔試驗結(jié)果Fig.5 Testing result on different depth of decompression hole

圖6 泄壓孔深度在5.5～7.0mm時試驗后射孔槍孔眼狀況Fig.6 The picture of decompression hole with 5.5～7.0mm depth after perforating

從圖5可以看出，隨著泄壓孔深度的增加，毛刺高度變小，槍體脹形量增加。分析其原因可能是，泄壓孔深度增加，泄壓孔壁厚降低，不利于毛刺的產(chǎn)生，但由于強度降低致使膨脹量加大。泄壓孔深度在6.5～7.5mm之間時毛刺高度、膨脹狀況較為適中。

圖7 泄壓孔深度在7.0～8.5mm時試驗后射孔槍孔眼狀況Fig.7 The picture of decompression hole with7.0～8.5mm depth after perforating

3 結(jié)論

采用毛刺高度和脹形量作為評價泄壓孔泄壓效果的指標(biāo)，在對泄壓孔直徑、形狀以及深度3個因素分析的基礎(chǔ)上，進行地面抗爆試驗，得出了102復(fù)合射孔槍泄壓孔的最佳設(shè)計參數(shù)：

（1）當(dāng)泄壓孔直徑為28mm、泄壓孔深度在6.5～7.5mm時，槍內(nèi)爆燃產(chǎn)物釋放速度與槍體強度之間最為平衡，射孔槍變形和毛刺高度均較小，可以滿足使用要求。

（2）當(dāng)泄壓孔形狀為圓錐形時，所取得的效果最好，但考慮到成本及可加工性，RX2倒角泄壓孔最適合目前使用情況。

[1]沈晶鑫,成建龍,劉蔭忠.內(nèi)置式復(fù)合射孔裝藥量優(yōu)化設(shè)計[J].測井技術(shù),2011(2):75-78.

[2]劉繼化.火藥物理化學(xué)性能[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，1997.

[3]萬任溥,羅英俊.采油技術(shù)手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998.

[4]王艷萍.火藥在復(fù)合射孔器中應(yīng)用的試驗研究[J].含能材料,2007(12):640-642.