高温对聚能射孔器穿孔性能影响试验研究

李东传，张晨，石建，余海鹰

（1．石油工业油气田射孔器材质量监督检验中心，黑龙江 大庆163853；2．西安近代化学研究所，陕西 西安710065）

0 引 言

由于对国内聚能射孔器产品在高温条件下性能变化规律认识不足，在射孔作业过程中，出现了一系列的问题，主要为射孔过程中出现断爆、爆燃、炸枪，甚至落井、卡井等事故，严重影响正常的射孔作业。目前，国内大部分高温井首选使用国外的耐高温射孔器材产品。

国外给出了炸药耐热的温度—时间曲线［1］，现场施工时一般参照使用以保证安全性；国内射孔器材生产厂家一般依据炸药生产厂对光药柱进行的高温性能测试数据资料选择射孔器材的装药，但不能作为评价射孔器性能的依据。API标准［2］规定了油管输送式（TCP）射孔器材耐热性能试验时恒温100h，GB／T 20489－2006［3］中仅给出了恒温2h的技术要求。

彭原平等［4］认为在25～100℃温度对YD－89Ⅲ型射孔弹（RDX装药，极限温度160℃）穿透性能的影响可忽略；董经利等［5－6］认为RDX装药的射孔弹在25～150℃穿孔深度随温度的升高而下降；四川石油射孔器材有限责任公司研究认为超高温炸药（PYX或HNS）在允许的耐温—时间范围内（试验温度不高于195℃、恒温不大于120h），射孔弹的穿孔深度下降不明显。由于现场需求和试验经费的限制等原因，尚未对国内生产的全部耐高温射孔器产品进行更高温度—时间条件下的全面性能测试。本文结合油田现场需求确定了试验温度、恒温时间，利用聚能射孔器耐温试验后打钢靶试验研究持续高温对射孔器性能的影响。

1 试 验

1．1 试验设计

中国高温井一般采用油管输送作业，部分井温达到了200℃、作业时间超过了150h。试验温度、恒温时间设计为常温、180℃恒温150h和210℃恒温170h（炸药临界温度—时间曲线附近）。射孔器选择了具有代表性的3个厂家的3种不同外径的四相位耐高温聚能射孔器（见表1），试验时每种聚能射孔器连续装配聚能射孔弹8发，聚能射孔器和靶的间隙为0。

表1 聚能射孔器参数

1．2 设备

试验使用的设备为油气井用高温射孔器试验装置，额定试验温度300℃，升温速率不大于3℃／min，恒温精度±3℃［7］。设备由聚能射孔器和靶组合装置、加热装置、运移装置和试验装置4部分组成。

聚能射孔器和靶组合装置主要由靶架支架、调整丝杠、靶盒、射孔器夹紧装置、靶块组成（靶块由1块Φ70mm×10mm和多块Φ70mm×25mm的45号钢叠加组成），靶安装在射流方向以保证射孔器打在靶上。

加热装置主要由加热炉门、炉门轨道、温度传感器、加热炉体、轨道滑块组成，内部空间为1．2m×1．2m×1．8m。能够对现场使用的不长于1．5m的聚能射孔器进行试验。

运移装置主要由轨道、驱动装置和机械手组成，用于将加温后的靶组合装置由加热装置转移到试验装置中去，整个转移时间为68s，温降幅度为4℃。

试验装置主要由试验装置主体、装置门轨道滑块、试验装置门、装置门轨道组成，保证射孔试验时的碎屑不损害其他设备。

1．3 试验步骤

依GB／T20488－2006油气井用聚能射孔器材性能试验方法［8］要求组装聚能射孔器和靶。常温试验直接将组合体放入试验装置中进行射孔，高温试验需要先将组合体放入加热装置中加温，恒温后再放入试验装置中进行射孔。

1．4 数据采集处理

按GB／T20488－2006要求测量靶上孔道的穿孔孔径和穿孔深度，并计算平均值（见表2）。A系列产品穿孔深度下降幅度均较大，穿孔孔径在180℃／150h时增大，而在210℃／170h减小；B、C系列产品的穿孔深度在在180℃／150h时未下降或有所提高，在210℃／170h时未下降或下降幅度减小。

2 讨 论

2．1 温度对聚能射孔器穿孔性能的影响

在室温条件下，炸药热分解反应速度非常缓慢，其释放出的热量能散失掉，聚能射孔弹不会发生爆燃，在有效期内性能变化不大。中国关于聚能射孔弹地面打钢靶的穿孔深度的研究有1个公认的经验公式（适用于单锥药型罩）

式中，L为聚能射孔弹对钢靶的穿孔深度，mm；LM为药型罩圆锥母线长，mm；α为药型罩的半锥，°；ρ为装药密度，g／cm3；D为炸药的爆速，m／s；η为药型罩和靶板性能相关的参数。

式（1）中有2个变量与炸药相关，温度影响炸药性能，继而影响射孔弹的穿孔性能。随着温度的升高，炸药热分解速度逐渐加快。炸药的热分解反应过程十分复杂，从化学反应动力学角度研究炸药热分解已经建立起热分解反应速度的数学模型，通常化学反应动力学可用式（2）描述

式中，X为已分解的份数；t为时间；n为反应级数；K为反应速度常数。

随着炸药分解份数的增加，反应速度逐渐下降。炸药的热分解时产生气体、生成新的产物同时释放出热量，释放出的气体使射孔器内部封闭空间的压力升高，压力反过来又影响炸药分解速度，使整个热分解过程更加复杂。高温使炸药体积膨胀［9］，影响了药柱密度及聚能射孔弹内部的应力分布；热分解改变了聚能射孔弹药柱的成分，因此，降低了聚能射孔弹药柱的爆速，同时也影响了射孔弹药的结构稳定性，从而影响了聚能射孔器的性能。

A、B这2个系列产品在高温条件下的穿孔深度、穿孔孔径均有波动，表明温度对聚能射孔器性能影响较大。

表2 不同温度条件下的试验结果

2．2 设计对聚能射孔器穿孔性能的影响

聚能射孔器的设计包括炸高、间隙等参数，不同的设计得到的穿孔性能指标不同。由于内部空间的限制，聚能射孔弹的炸高一般不是最佳炸高，射孔器的间隙也只能是相对合理。

耐高温聚能射孔弹的设计尤其要考虑温度对炸药性能的影响。鉴于高温试验后聚能射孔弹等火工品性能有所降低，如果炸药性能降低后的射孔弹与炸高、间隙等匹配更合理时其性能指标的下降幅度可能减小。

A系列产品设计时未充分考虑温度对炸药性能的影响或未达到有效设计优化，所以经过高温后穿孔性能影响较大。在180℃恒温150h时穿孔深度最大下降幅度为35．2%，210℃恒温170h时穿孔深度最大下降幅度为32．7%。

B、C系列产品设计时充分考虑到了温度对炸药性能的影响，并进行了有效设计优化，所以经过高温后穿孔性能下降幅度较小某些数据甚至有所上升。

3 结论与建议

（1）长时间持续高温对聚能射孔器穿孔性能（穿孔深度、穿孔孔径）的影响十分明显，部分产品穿孔深度下降幅度可达35%，穿孔孔径则明显增大。

（2）聚能射孔弹、炸高、间隙等整体配合决定聚能射孔器的穿孔深度。通过调整设计方案进行优化设计，可以改变温度对穿孔性能的影响结果，从而达到提高某一特定条件下产品穿孔性能的目的。

（3）建议进一步研究温度对聚能射孔弹性能的影响规律，以便与炸高、间隙等其他对穿孔性能有影响的参数合理匹配，从而开发出适用于特定井下条件的聚能射孔器，满足现场需求。

［1］陆大卫．油气井射孔技术［M］．北京：石油工业出版社，2012．

［2］API Recommended Practice 19BSecond Edition，Recommended Practices for Evaluation of Well Perforators［S］．API，2006．

［3］GB／T 20489－2006油气井聚能射孔器材通用技术条件［S］．北京：中国标准出版社，2007．

［4］彭原平，肖胜飚．高温高压对射孔弹性能的影响［C］∥射孔新技术研讨会论文选集．中国石油学会测井专业委员会射孔分会射孔新技术研讨会，2005：1－7．

［5］董经利，陈序三，邵在平，等．高温高压条件下射孔效能试验研究［J］．测井技术，2008，32（2）：100－104．

［6］董经利，张波，张林，等．高温高压条件下射孔效能检测与评价初探［C］∥2013年油气井射孔技术交流会论文集，2013：1－9．

［7］中国石油天然气股份有限公司，大庆油田有限责任公司．油气井用高温射孔器试验装置：中国，201120254373［P］．3．2012－12－18．

［8］GB／T 20488－2006油气井聚能射孔器材性能试验方法［S］．北京：中国标准出版社，2007．

［9］许光，吴承云，于荫林，等．混合炸药对温度渐变环境适应性研究［J］．火炸药，1997（1）：15－19．