射孔用壓力起爆裝置起爆精度分析

喬亞波

（大慶油田射孔器材有限公司，黑龍江 大慶 163853）

隨著油田開發(fā)進(jìn)入后期，一方面，多數(shù)油井中的套管變形明顯，為了滿足油田勘探開發(fā)中的安全環(huán)保和低孔低滲油氣田開發(fā)的壓裂施工要求，而使得電纜輸送式射孔方式變得非常困難，另一方面，油田為了追求效益最大化，往往采用水平井、側(cè)鉆井、大斜井等，這些井射孔施工時(shí)必須采用油管輸送射孔方式，因此，油管輸送式射孔完井方式較以往越來越多地應(yīng)用于國內(nèi)外油氣田開發(fā)中。油管輸送的起爆方式主要有壓力式起爆和撞擊式起爆，而壓力式起爆裝置由于其自身特點(diǎn)，應(yīng)用范圍更加廣泛，為了保證射孔工作的安全可靠，產(chǎn)品要求在一定壓力范圍內(nèi)起爆，一般允許在給定壓力值±5%范圍內(nèi)波動(dòng)，未達(dá)到設(shè)定壓力值下限起爆會(huì)引起誤射孔，而達(dá)到設(shè)定壓力值上限仍未起爆再加壓就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性。因此起爆精度是一個(gè)重要的性能指標(biāo), 它已成為工藝控制的關(guān)鍵點(diǎn)。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和原理

某型壓力起爆裝置產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由圖1 可以看出，壓力起爆裝置主要由剪切銷、剪切環(huán)、擊針塞、擊針等組成。壓力起爆裝置隨射孔槍下入油井射孔層位，然后，在井口施加壓力作用于壓力起爆裝置擊針塞上，擊針塞在井口施加的壓力和井液壓力的共同作用下剪斷剪切銷，然后帶動(dòng)擊針快速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行解鎖或擊發(fā)起爆器爆轟，引爆整個(gè)射孔槍串。

圖1 某型壓力起爆裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 影響起爆精度的因素及控制措施

由壓力起爆裝置的工作原理可知，擊針塞要帶動(dòng)擊針擊發(fā)起爆器，剪斷剪切銷是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以剪切銷是此裝置的核心零件。精度受到多方面因素的影響，如剪切銷的本身選材和加工精度，剪切銷剪切壓力給定初始值的誤差情況，剪切銷與剪切環(huán)、擊針塞的配合情況，剪切銷剪切強(qiáng)度隨溫度降低百分率的變化曲線，用戶計(jì)算剪切銷的壓力是否準(zhǔn)確等。

2.1 剪切銷本身精度的影響

井口施加的壓力是用戶根據(jù)廠家給定的剪切銷初始值計(jì)算而得出的，剪切銷作為典型的機(jī)械零件，其批次剪切強(qiáng)度力值應(yīng)符合正態(tài)分布(從已生產(chǎn)的情況來看，剪切銷的剪斷力值基本符合正態(tài)分布的要求)同一批剪切銷，剪切力值的差別主要是由于制造中的加工誤差和材料性能隨機(jī)性造成的，生產(chǎn)要充分考慮各種因素的影響，并設(shè)法將誤差控制在可接受范圍內(nèi)。單個(gè)剪切銷常溫剪切值的給定，此值是通過試驗(yàn)和計(jì)算得出。

表1 剪切力波動(dòng)情況

圖2 某壓力起爆裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

取承壓面直徑D1=25mm，剪切銷直徑d=2.5mm。

取抗拉強(qiáng)度σb=604MPa,

則剪切強(qiáng)度τ=0.7σb=422.8MPa。

剪切銷橫截面積S1=4.906mm2，單銷剪切銷剪切力

壓力面面積S2=490.625mm2。

則單銷剪切值P 單=F/S2=4.23MPa

如果測(cè)得的剪切銷給定剪切值有偏差或者試驗(yàn)件加工不能代表整批材料的狀態(tài)，必然導(dǎo)致用戶算出的剪切壓力值是不正確的，那么最終施加的起爆壓力將會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。所以對(duì)剪切銷初始力值的確定尤為關(guān)鍵，一方面根據(jù)抗拉強(qiáng)度進(jìn)行理論計(jì)算，另一方面，針對(duì)每批剪切銷都進(jìn)行試驗(yàn)確認(rèn)，不同批次給定不同的初始值，從而減小誤差值。

當(dāng)剪切銷的初始力給定值確定后，實(shí)際工作中，單個(gè)剪切銷的剪切力值在給定值附近波動(dòng)，因?yàn)槌霈F(xiàn)較大偏差是小概率事件，所以當(dāng)使用的剪切銷數(shù)量越多時(shí)，剪切力由于相互彌補(bǔ)的影響總的剪切值越接近給定的初始值，相應(yīng)的起爆精度也就越高。我們通過萬能壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)得試驗(yàn)件的剪斷壓力和相應(yīng)的剪切銷剪切力的試驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剪切銷的數(shù)量由2 個(gè)增加到12 個(gè)時(shí)，剪切力波動(dòng)由0.68%～4.5%縮小到0.4%～0.5%如表1 統(tǒng)計(jì)，與理論分析是相符合的。所以我們?cè)谶x材時(shí)，一方面盡量選擇一致性誤差范圍小的材料，另一方面，不宜選擇剪切強(qiáng)度過大的材質(zhì)。

剪切銷本身的加工精度也會(huì)影響到剪切力值，當(dāng)剪切銷直徑公差過大時(shí)，加工出的剪切銷的橫截面面積波動(dòng)必然要大，從而影響剪斷值精度。我們以給定剪切銷直徑基本尺寸值為2.5mm 計(jì)算，通過計(jì)算可以得出，當(dāng)剪切銷直徑變化0.05mm 時(shí)，剪切銷的受力橫截面積將變化3.99%，剪切銷剪斷力值范圍由若干因素范圍疊加得到，所以剪切銷的尺寸公差應(yīng)在綜合加工可能性和經(jīng)濟(jì)性前提下給定較小的值。同時(shí)保證較好的表面光潔度，可以減少應(yīng)力集中的影響。

2.2 剪切銷與剪切環(huán)、擊針塞三者之間配合的影響

剪切銷是在剪切環(huán)和擊針塞的共同作用下被剪斷的，所以，三者之間的配合也是影響剪切力精度的因素之一。當(dāng)其中任意兩者之間間隙過大時(shí)，都會(huì)造成剪切銷的受力不均，從而累積疊加影響到系統(tǒng)整體承受壓力的效果。通過試驗(yàn)我們測(cè)定了剪切力波動(dòng)情況隨間隙變化情況如圖3 所示，從圖中可以看出，當(dāng)隨著配合間隙減小時(shí)，剪切力的波動(dòng)情況得到了明顯的改善。

圖3 配合間隙影響剪切力精度情況

2.3 其他因素

準(zhǔn)確計(jì)算剪切銷的剪切壓力是用戶需要掌握的技能，計(jì)算時(shí)需要掌握井的垂深、壓井液密度、單個(gè)剪切銷的常溫剪切值、剪切銷剪切強(qiáng)度隨溫度降低百分率的變化曲線等。圖4 為某型剪切銷剪切強(qiáng)度降低百分率-溫度變化曲線。

圖4 某型剪切銷剪切強(qiáng)度降低百分率-溫度變化曲線

2.4 控制措施

在設(shè)計(jì)方面，對(duì)剪切銷的材質(zhì)選擇要嚴(yán)格控制，要選擇剪切力一致性好的材料，針對(duì)每批剪切銷都進(jìn)行試驗(yàn)確認(rèn)，不同批次給定不同的初始值，從而減小誤差值。當(dāng)油井壓力確定后，不宜選擇剪切強(qiáng)度過大的材質(zhì)。在加工工藝可行的條件下，合理地設(shè)計(jì)剪切銷直徑與公差。在剪切銷與剪切環(huán)、擊針塞三者之間的配合設(shè)計(jì)方面，盡可能合理地選擇相互間間隙。在加工方面，加強(qiáng)對(duì)核心部件剪切銷的整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量過程控制，增加半成品件的檢驗(yàn)，提高加工環(huán)節(jié)的產(chǎn)品一致性。在使用過程方面，通過定期培訓(xùn)和學(xué)習(xí)評(píng)比等方式提高使用者計(jì)算剪切銷的剪切壓力的準(zhǔn)確性，盡可能杜絕人為因素的影響。

3 結(jié)語

通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，主要加強(qiáng)了3 個(gè)方面的工藝控制：（1）剪切銷材質(zhì)選擇方面,控制其剪切強(qiáng)度和剪切力波動(dòng)，將原材料因素控制在盡可能小范圍內(nèi)。（2）通過控制剪切銷與剪切環(huán)、擊針塞三者之間的配合間隙實(shí)現(xiàn)剪切力的精度控制。（3）通過使用戶準(zhǔn)確計(jì)算剪切銷的剪切壓力減少誤差。