射孔弹电雷管无损耗监测方法及能量分析

郑伟林

（中石化胜利油田孤东采油厂，山东 东营，257237）

目前，射孔弹电雷管的可靠性是石油工业关注的重要问题，一旦有雷管不起爆，将会造成无法弥补的损失。为了提高射孔作业的可靠性，减少误射孔和少射孔的概率，保障油气生产的正常进行，需要对所采用电雷管的可靠性进行试验[1-2]。目前可靠性的监测主要有两种方法：一种是有损耗监测法，由于监测电路需要从发火电路中取用一定的能量，当试验过程出现瞎火时，就会产生争议，即监测电路从发火电路中取用的能量是否影响到电路的正常工作[3]；另外一种是无损耗监测方法，所采用的监测方法是非接触式的，不再从试验电路中取用能量，而是通过罗果夫斯基线圈[3]对电雷管发火过程中的电流曲线进行监测。本文在已建立的非接触式无损耗监测系统的基础上，针对目前射孔弹采用的桥丝式电雷管和有应用前景的冲击片雷管，采用多种有效的措施解决了高速数据采集与瞬态信号捕捉等问题，获取了冲击片雷管与桥丝式电雷管的发火电流曲线，分析了电流曲线上出现凹点的机理，计算了电雷管的发火时间及其与发火电路的能量匹配关系，以指导起爆电路的设计。

1 射孔弹电雷管的无损耗监测方法

无损耗监测方法是指监测电路不从起爆电路中取用能量，而是采用非接触方式监测电雷管起爆过程中的完整的电流曲线。目前射孔弹雷管大多采用桥丝式电雷管，但火工品技术的发展为石油射孔提供了性能更好的冲击片雷管，这种雷管不但有很好的安全性，而且爆轰输出对中性好，射孔孔径和射孔深度更大。目前，虽然由于成本等问题，冲击片雷管在射孔弹中还没有得到具体应用，但随着生产工艺和元器件集成化的进步，成本将会大幅度降低。冲击片雷管在射孔弹中的应用已进入准备阶段，与之相关的可靠性试验和监测电路的研究也已列入议事日程。针对上述需求，本文研制了图1所示的高速无损耗监测和数据采集电路，可同时满足冲击片雷管和桥丝式电雷管的监测需求。

图1 无损耗监测电路Fig.1 Lossless monitor circuit

图1所示监测系统的工作过程是：在现场可编程阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的控制下，可控硅D1导通，使电源E向电容器C充电；之后，当需要雷管发火时，FPGA产生FIR信号，使可控硅D2导通，电容器C向雷管DT放电。放电过程的电流信号由罗果夫斯基线圈测量，经预处理电路进行滤波、放大后，送A/D采样，采集后的数字信号经数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）读取并暂存到双端口随机存储器（Random Access Memory，RAM）中，待信号采集完成后，再将暂存在RAM中的数据回放到计算机。图中其他符号的含义是：D表示数据线、A表示地址线、TRG为触发信号、罗氏线圈指罗果夫斯基线圈。

该电路考虑了冲击片和桥丝两种电雷管的发火电流监测的需求，其中冲击片雷管的作用时间很短（约1µs），因此高速信号采集、存储及瞬态信号的捕捉是两个十分突出的问题。

实现高速信号采集和存储的具体措施是：（1）采用了采样间隔为25ns的A/D，该A/D在FPGA的控制下以40MHz的频率采集发火电流信号；（2）A/D采集后的数据必须在25ns内存储到RAM中，电路中选用的DSP芯片的指令周期为13ns，因此只能在1个指令周期内将A/D数据读出并存储到RAM中。具体实现方法是采用了并行指令，即读取A/D数据和存储数据到高速RAM中的两条指令并行执行，从而使其可以在13ns内将数据暂存到RAM内，等待发火过程结束后，DSP将缓存在RAM中的数据通过RS232口传输到计算机。

瞬态信号捕捉的方法是设置预采区。由于发火过程很短，电路的采样速度很快，虽然发火信号是由FPGA发出的，但因为DSP响应中断的时间为9个指令周期（约117ns），这就有可能采集不到完整的发火信号，因此不能采用中断方式捕捉发火信号。为了解决上述问题，设置了预采区，预采区是在进入正式采集前，为了保证从零电平开始获取完整的发火信号而设置的采集数据的预存储区域。由于触发信号不可能在输入为零的状态下产生，而又希望能够从零开始对被测信号进行采集和存储，采取的办法是：对存储器设置预采存储区域，测试系统一上电就处于信号采集阶段，但采集到的数据总是记录在一段较小的存储区域，该存储区域的长度为N＝1 024，采样间隔为25ns，则每隔5×1 024＝5.12µs刷新1次该存储区域，在触发信号出现前总是不停地对预采区进行重复记录。这样，触发信号总是出现在预采区，当DSP以单指令周期读取并存储A/D数据的方式查询到触发信号后，不再对预采区重复记录，而是从现有记录点开始，对以后的全部存储区域进行存储，这样就不会丢失信息了。

2 射孔弹电雷管的发火时间和发火电流

应用图1的电路，采用罗果夫斯基线圈，以非接触方式获取了桥丝式电雷管发火过程中的电流曲线，如图2所示。

图2 发火电流信号Fig.2 Fire current signal

图3 发火时间Fig.3 Fire time

从图2曲线的数据序列中，可以查看到在最大值之后的下降段有一个下凹的部分，其放大后的图形如图3所示，该下凹点对应的时间为t0=112.7μs，电流为I0=0.144A。

冲击片雷管的起爆过程也有类似的特性，其t0和I0值如表1所示，所用桥箔细腰处的长、宽相同，均为1mm，桥箔厚度d不同。

表1 冲击片雷管的发火时间和电流Tab.1 Fire time and current of slapper detonator

表1中所述凹点位置出现在上升段和下降段的电流曲线如图4所示。

曲线上的凹点代表电火工品的桥路状态发生了变化。当发火电流施加到桥路上后，桥丝式电雷管的桥丝或冲击片雷管的桥箔的电阻值是动态的，能量的积累将使其导电方式由电子导电转换为离子导电，这就导致了所述凹点的出现，从电路特性来说，该凹点所对应的时间就是起爆时间。

图4 冲击片雷管发火电流曲线Fig.4 Fire current curve of slapper detonator

桥箔或桥丝的动态电阻率ρ[g(t)]可表示为[4]：

其中：

式（1）～（3）中：Cs为桥丝和桥箔的横截面积；V0为发火电路中电容器的初始电压；L为电路的总电感；A、B、g0、S0、K、P均为实验确定的系数，文献[4-5]给出了具体的实验值。但需要注意的是，本文中式（3）所述动态参数g（t）是流过桥箔或桥丝的总能量，而参考文献中所述的动态因子是单位横截面积的总能量，由式（1）计算动态电阻率时，需要对式（2）中的S0进行修正，即是修正系数。

当式（3）中的积分上限t=t0时，动态参数g(t)=g0[5]。由式（1）可见，这时电阻率出现了极值，因而在电流曲线上也就出现了前面所述的凹点。需要说明的是：出现了凹点后，虽然桥路的导电方式发生了改变，但导电通道仍然是存在的，发火电流并不是突然回到0。

3 能量匹配关系

由帕萨尔瓦尔（Pasevar）定理可知，式（3）实际上是代表了桥箔或桥丝上的能量，当t=t0时，对应的g0代表的是发火能量。发火时间t0是由能量的积累过程确定的，对欠阻尼系统，振荡过程中的反向电流与正向电流的贡献是相同的。不论起爆电路是否是欠阻尼系统，由式（3）对电流积分并积分到t=t0时，所对应的能量就是有效的发火能量。当发火电路中电容器储存的能量和发火电路的参数确定后，g0表示了电雷管发火的难易程度。表1所示5种不同厚度的桥箔可由式（3）计算出发火能量g0和全部发火电流所对应的总能量gA，如表2所示。

表2 发火能量与电路参数Tab.2 Fire energe and the circuit parameter

表2中还同时给出了发火电路的电容值C、电容器的初始电压V0、电容器储存的能量E以及g0与gA的比值。由表2可见：（1）即使是相同的发火电路和相同的桥箔材料，由于桥箔的厚度不同，发火能量g0、总能量gA也不同；（2）桥箔尺寸不同电流曲线的阻尼状态也会有所不同，图3中给出的两条电流曲线分别对应于表2中序号为1、3的两种桥箔。对5种桥箔的计算结果还表明，只有表2中序号为1的桥箔的电流曲线为过阻尼状态，其余桥箔的电流曲线均为欠阻尼状态。（3）发火能量g0越小，说明电雷管越容易发火，反之，则越不容易发火。（4）处于同一阻尼状态下的发火能量g0与总能量gA比值差异不明显，但两种不同阻尼状态下的比值差异很大。

4 结论

研制了一种电火工品发火过程无损耗监测电路，采用高速硬件电路与并行指令相结合的方法，实现了持续时间为微秒级的发火信号的采集，并通过设置预采区域的方法，实现了瞬态信号的捕捉。桥丝式电雷管和冲击片雷管的试验情况表明，该无损耗监测系统有良好的实用性。

分析了桥丝式电雷管和冲击片雷管的发火机理，计算了发火能量和发火时间，得出的主要结论是：发火能量是由电流所表示的时间域上的能量积累而确定的，当能量积累到一定程度时，桥路的导电状态将发生变化，对应的电流曲线上将出现凹点，该点所对应的时间就是电雷管的发火时间，该时间之前的能量就是发火能量。对相同的发火电路，该能量越小，表示电雷管越容易发火，反之易然。

[1]洪东跑,赵宇,温玉全.基于虚拟样本的电雷管可靠性评估[J].爆炸与冲击,2009,11(29):669-670.

[2]樊鹤红,刘盼,赵兴群,孙小菡.小样本条件下行波管可靠性评估方法的研究[J].电子学报,2010,6(6):1 394-1 395.

[3]余华.电雷管无损耗监测系统研究[D].西安:西安石油大学,2004.

[4]R.S.Lee.Firset[R].UCID-21671,1989.

[5]党瑞荣.直列式全电子安全装置[D].南京:南京理工大学,1991.