裝填LLM-105炸藥超高溫射孔彈性能評價

李萬全, 李必紅, 趙云濤, 李尚杰, 徐文新, 周明

(西安物華巨能爆破器材有限責任公司, 陜西 西安 710061)

0 引 言

隨著油氣資源勘探開發(fā)的不斷深入,深海,超深海等極端區(qū)域已成為油氣勘探的重要領域,其深層、超深層、地層主要表現為高溫高壓、低滲透、高致密性等;同時,陸上開采區(qū)域逐漸向低壓低滲透超高溫深井(6 000 m,井溫200 ℃以上)發(fā)展。在這些特殊區(qū)域開采過程中所用的超高溫射孔彈的穿孔性能以及安全可靠性隨著溫度的升高而降低,根據GB/T 20489中對超高溫射孔彈的穿孔性能要求其穿孔性能指標與同型號的常溫射孔彈的相比,下降幅度達到25%[1]。因此,在對超高溫完井施工過程中,為了滿足深層油氣開發(fā)的安全可靠性,對射孔器材穿深性能與安全可靠性提出更高的要求。

2,6-二氨基-3,5-二硝基-1-氧吡嗪(LLM-105),由美國LLNL實驗室于1993年首次合成[2],密度為1.913 g/cm3,輸出能量比TATB高出15%,比TNT高出30%[3],是一種高能鈍感新型含能材料。根據LLM-105的高能鈍感和熱穩(wěn)定性良好的特點,可作為鈍感傳爆藥劑和超深油井用射孔彈裝藥[4]。黃亞峰等[5]對高溫耐熱炸藥的研究現狀和進展進行了初步研究,文獻[6]中首次將LLM-105藥劑在常>溫條件下應用于石油射孔彈的研究。

1 藥劑安定性測試

表1為LLM-105混合炸藥的部分性能參數。

表1 LLM-105為基混合炸藥的部分性能參數

1.1 藥劑晶形

藥劑:根據文獻[7]提供的不同晶形性能參數,選取塊狀晶形的LLM-105炸藥作為射孔彈主裝藥。LLM-105單質炸藥晶形見圖1。

圖1 塊狀LLM-105晶形掃描電鏡圖

1.2 藥劑熱安定性分析

1.2.1 DSC分析

以塊狀晶形的LLM-105為樣品進行熱穩(wěn)定性試驗,采用差熱分析和差示掃描量熱進行測定。采用德國Netzsch DSC 204型差熱分析儀,以10 ℃/min升溫速率,測定的DSC曲線見圖2。

圖2 10 ℃/min升溫速率條件下LLM-105的DSC曲線

1.2.2 TGA分析

采用瑞士梅特勤-托利多公司TGA/SDTA851熱分析儀,線性升溫速率10 ℃/min,測試經過220 ℃/48 h后的LLM-105混合炸藥的TGA曲線見圖3。

圖3 220 ℃/48 h后LLM-105混合炸藥的TGA曲線

2 模擬環(huán)境溫度對射孔彈的安全性分析

2.1 試驗條件及試驗裝置

2.2 射孔彈破甲試驗

耐溫試驗后進行地面模擬裝槍穿鋼靶試驗來測試經不同環(huán)境溫度后4in型射孔彈的破甲性能。為保證試驗過程的安全性,經高溫模擬環(huán)境加熱后射孔彈需冷卻24 h后從試驗裝置中取出,進行地面模擬裝槍穿鋼靶試驗。試驗裝置見圖4,試驗模擬了射孔器在實際射孔時射孔彈、射孔槍以及套管之間的位置裝配關系。

圖4 地面模擬裝槍穿鋼靶試驗裝配示意圖

表2 各溫度條件下的地面模擬裝4 in槍穿鋼靶試驗結果(槍內炸高26.8 mm,槍外炸高18.0 mm,套管外徑7 in)

表2 各溫度條件下的地面模擬裝4 in槍穿鋼靶試驗結果(槍內炸高26.8 mm,槍外炸高18.0 mm,套管外徑7 in)

樣品溫度條件/℃穿孔深度/mm穿孔孔徑/mm125612.0×13.02常溫26112.0×12.0325311.0×12.0平均值256.712.0425112.2×13.05200/100h25912.0×12.0624912.0×12.6平均值253.012.3725011.5×12.08220/100h24611.4×12.6923912.0×12.3平均值245.012.01023211.8×12.011220/200h24112.1×12.11223611.6×12.1平均值236.311.9

3 結果與討論

3.1 溫度對射孔彈穿深的影響

圖5 各溫度條件下地面模擬裝4 in 槍穿鋼靶試驗結果

由表2可知,經200 ℃/100h高溫環(huán)境后,較常溫條件下破甲深度降低1.4%;經220 ℃/100 h高溫環(huán)境后,較常溫條件下破甲深度降低4.6%;經220 ℃/200 h高溫環(huán)境后,較常溫條件下破甲深度降低7.9%。

由此可知,隨著試驗溫度的提高和耐溫時間的增長,射孔彈的破甲能力也相應地減少,但減少量均低于常溫條件下破甲穿深的8%。

3.2 溫度對射孔彈安全性的影響

射孔彈對溫度變化的安全程度取決于所裝填藥劑對溫度的熱安定性。通過圖2可知,LLM-105炸藥的DSC曲線顯示,在10 ℃/min的升溫速率條件下其放熱峰溫為349.64 ℃;通過圖3可知,LLM-105炸藥經過220 ℃/48h高溫環(huán)境后的TGA曲線,273 ℃時熱失重為1.77%,500 ℃時LLM-105炸藥失重為84.080 1%。DSC和TGA分析表明,LLM-105炸藥在小于250 ℃高溫環(huán)境結構穩(wěn)定,熱分解緩慢,熱分解誘導期較長,具有較高的熱分解溫度和良好的熱安定性。

溫度對裝填LLM-105混合炸藥的耐高溫射孔彈的安全性可靠,在不同溫度和適當的時間內均屬于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 應用實例

2013年,勝利石油工程有限公司測井公司××區(qū)塊××井,油層溫度198 ℃,采用裝填LLM-105混合炸藥的超高溫射孔彈裝配成4 in型(102型)射孔器射孔后日產液8.4 m3,日產油1.4 m3,射孔彈發(fā)射率、一次成功率均為100%。

5 結 論

(1) 塊狀晶形的LLM-105單質炸藥在10 ℃/min升溫速率條件下的DSC最高分解溫度為349.64 ℃;LLM-105單質藥經220 ℃/48 h高溫試驗,通過對藥劑的TGA測試熱分析,熱穩(wěn)定性良好。

(3) 經不同環(huán)境溫度對耐熱射孔彈的耐熱試驗,可知炸藥LLM-105是一種可長期在高溫環(huán)境下存放并且爆炸性能影響較小的適合超高溫射孔彈用的耐熱高能炸藥,所裝填的射孔彈在220 ℃/200 h的環(huán)境溫度下作用穩(wěn)定可靠。

(4) 裝填LLM-105混合炸藥的超高溫射孔彈經過現場使用,效果良好,為提高深部高溫儲層射孔完井效果提供了技術支持,具有廣闊的應用前景。

參考文獻:

[1] 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, 2006.

[2] Pagoria P F, Mitchell A R, Schmidt R D, et al. Synthesis Scale-up and Experimental Testing of LLM-105 Proceedings [C]∥Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium, San Diego, 1998.

[3] Tan T D, Pagoria P F, Hoffman D M, et al. Characterization of 2,6-Diamino-3,5-Dinitropyrazine-1-Oxide (LLM-105) as an Insensitive High Explosive Material [C]∥The 33rd International Annual Conference on ICT on Energetic Materials-Synthesis, Production and Application, Karlsruhe, Germany, June 25-28, 2002.

[4] Pagoria P F, Lee G S, Mitchel A R, et al. The Synthesis of Amino-and Nitro-Substituted Heterocycles as Insensitive Energetic Materials [C]∥Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium, Bordeaux, France, October 8-11, 2001.

[5] 黃亞峰, 王曉峰, 馮曉軍, 等. 高溫耐人炸藥的研究現狀與發(fā)展 [J]. 爆破器材, 2012, 41(6): 1-4.

[6] 徐文新, 李必紅, 李萬全, 等. 以LLM-105為基的耐熱混合炸藥的應用研究 [J]. 火工品, 2012, (4): 40-43.

[7] 劉玉存, 劉登程, 楊宗偉, 等. 耐熱炸藥ANPZO性能的實驗研究 [J]. 含能材料, 2012, 20(6): 252-256.