油氣井撞擊式全通徑起爆裝置研究

楊新鋒，李森茂，馬曉亞

（1.甘肅省化工研究院，蘭州 甘肅 730020；2.甘肅蘭金民用爆炸高新技術公司，蘭州 甘肅 730020）

0 引 言

全通徑射孔[1]的技術關鍵從起爆裝置和油管連接處至射孔器尾端，整個射孔槍串內腔的承壓件、定位限位件、射孔彈、彈架、夾層彈架都在射孔彈和導爆索爆炸產生的沖擊波和瞬間高溫熱粒子的作用下充分碎解和燃燒，其碎屑全部落入管串底部的口袋槍內或落入井底口袋，整個射孔槍串內腔形成暢通通道。全通徑起爆裝置為全通徑射孔器串的瓶頸組件，國內開展撞擊式全通徑起爆裝置研發尚未取得滿意效果主要有3個原因：全通徑起爆裝置的通徑內徑尺寸≤60mm；內件自毀粉碎效果不佳，碎塊粒度不規則；耐溫耐壓性能不穩定。為了確保射孔作業的成功率，研究開發新的、能滿足技術要求的撞擊式全通徑起爆裝置非常關鍵。

1 初型起爆裝置結構和起爆原理

初型撞擊式全通徑起爆器由油管接頭、陶瓷密封蓋、撞擊擊針、發火器、上下通徑芯件、通徑接頭組成（見圖1）。

圖1 初型全通徑起爆裝置示意圖

全通徑起爆裝置的專用投棒撞擊到陶瓷蓋后，擊碎陶瓷蓋，解除系統密封。利用投棒的撞擊力度撞擊擊針擊發發火裝置內的起爆藥室，起爆藥起爆，引爆主裝置內的起爆藥室。起爆藥起爆，引爆主裝藥，由主裝藥引爆需要起爆的傳爆管、導爆索和射孔彈。同時起爆器內的通徑芯件在爆轟波的作用下完全破碎下落，形成不小于Φ50mm的光滑通徑，從而完成全通徑射孔作業。

2 初型起爆裝置存在的結構和性能缺陷

反復試驗研究表明，陶瓷蓋型全通徑起爆裝置起爆率高，通徑效果一般，通徑不大于Φ50mm，結構和性能存在一定缺陷。

（1）密封膠耐溫低。密封承壓用的陶瓷蓋是用環氧樹脂在常溫下粘接固化的，通過試驗在高溫下已固化的環氧樹脂在120℃左右會軟化，使粘接密封系統失靈，導致密封系統進油水，造成射孔作業失敗。

（2）陶瓷蓋屬于易碎材料。由于我國的油田一般地處戈壁或山地、丘陵地帶，現場環境較差，在射孔作業過程中，難免有一些落物會進入井筒內，即使是一塊小石子，落入幾千米的井筒內，其沖量足以擊碎陶瓷蓋，加之油管輸送機械動力的制動、油管立柱的連接振動，均有可能會破壞陶瓷蓋的密封系統，在投棒撞擊前系統已經進水，造成起爆裝置失效，導致射孔作業失敗。

（3）鑄鐵通徑芯件的強度和破碎效果相抵觸。通徑芯件強度越大，破碎碎塊就越大，通徑效果就越差；如果要求破碎碎塊小，但通徑芯件的強度就相應弱一些，甚至會使芯件在投棒撞擊時被擊穿，導致不起爆現象發生。

（4）芯件碎塊塊度不規則。最大塊25mm×18 mm，這樣的碎塊在沿管壁下落過程中容易產生橋架。

3 新型起爆裝置的研究

3.1 研究思路

將初型的陶瓷密封系統改為撞擊密封一體化系統，采用O型圈密封；將初型的鑄鐵通徑芯件改為特種高分子材質的通徑芯件；將初型的膠粘劑粘接組裝結構改為機械緊固裝配結構。

根據全通徑起爆裝置的原理和結構，其中起爆裝置的密封、通徑芯件材質的破碎性能和結構、機械緊固裝配結構是全通徑起爆裝置研究的技術關鍵。

3.2 O型圈密封系統的設計定型研究

全通徑起爆裝置內部元件和起爆裝置下端聯接的射孔槍的密封全靠起爆裝置的密封系統保證。在井下高溫高壓、介質成分復雜的環境中，密封性能要牢靠，密封件的耐高溫耐高壓、耐腐蝕等綜合性能一定要可靠。在此，借鑒航天工程和石油井下耐溫耐壓儀器的密封經驗，采用O型圈密封結構。在同等環境、對同體積的腔體采用瓶蓋式粘接密封和O型圈密封（見圖2）。根據反復試驗密封效果截然不同，記錄見表1。

圖2 密封系統示意圖

表1 在同等環境下2種不同形式腔體耐溫、耐壓對比

3.3 高分子材料通徑芯件的設計定型研究

3.3.1 通徑芯件材質的選擇

通徑芯件首先要有良好的氣密性、耐腐蝕能力和破碎性能，通過對機械工程材料[3]的研究篩選出了3種基本符合條件的可用材料：鑄鐵、陶瓷、高分子材料（3種材料性能對比見表2），經過大量的試驗和研究，最終選擇高分子材料。

3.3.2 通徑芯件結構的設計研究

設計了具有抗諧振能力、強度高、組裝便捷、起鈍化作用的通徑芯件結構[4]，然后，根據炸藥在均勻固體介質中的爆炸原理[5]（見圖3），在不影響芯件強度的基礎上，為通徑芯件設計了合理的破碎結構來確保起爆后的通徑效果。

表2 鑄鐵、陶瓷、酚醛塑料材料性能對比

圖3 主裝炸藥爆炸對酚醛芯件的碎解現象

3.4 機械緊固裝配結構的設計定型研究

起初設計的撞擊式全通徑起爆裝置屬于一次性粘合裝配，內部芯件配合精度要求高，組合難度大，陶瓷密封系統和芯件整體定位限位的粘接操作不便，粘接牢靠程度監測方式復雜，耐溫耐壓檢測難度大，同時對裝配的運輸方式和儲存環境要求很高。

新型撞擊式全通徑起爆裝置的整體裝配結構和緊固方式徹底改型為一體式通徑芯件依次裝配、臺階準確定位限位、螺紋緊固，零配件的互換性很好，零部件耐溫耐壓檢測便捷，起爆裝置拆裝方便（其結構見圖4）。為了運輸、存儲、搬動安全可靠，可將起爆裝置的發火裝置和主裝藥分開運輸、儲存、現場裝配，確保起爆裝置現場應用的安全。

3.5 初型和新型全通徑起爆裝置的技術指標對比

新型全通徑起爆裝置完全可滿足全通徑高效射孔技術現場應用。其性能對比見表3。

4 現場應用

2007年11月至2008年10月，先后在西北某油田2個區塊采用 QTJ-102-16M－127和 QTJ－89－16M－89射孔器應用進行了5井次全通徑射孔作業。

圖4 新型全通徑起爆裝置示意圖

表3 2種全通徑起爆裝置性能參數對比

井1、井2、井3采用 QTJ－102－16M－127射孔器，配套應用了102型新型撞擊式全通徑起爆裝置，撞擊點火成功。起出射孔管柱后，觀察分析，從起爆裝置至射孔槍串尾部內腔形成不小于Φ60mm的暢通通道，起爆裝置內件全部破碎，碎塊隨投棒一同順利下落至口袋槍內或井底，起爆裝置成功起爆，通徑效果良好，碎塊粒度均勻。

井4、井5井深分別1832m和1638m，采用采用 QTJ－89－16M－89射孔器，配套應用了89型新型撞擊式全通徑起爆裝置，撞擊點火成功，起爆裝置成功起爆，碎塊粒度均勻，最大粒度11mm×9mm，通徑效果良好。

5 結 論

新型撞擊式全通徑起爆裝置的耐高溫、耐高壓、起爆率、通徑效果、安全性、穩定性等技術指標均達到了設計要求，為全通徑射孔技術的進一步完善和發展奠定了更扎實的基礎。

[1]曾樹峰，孔凡鵬，安恩向.含能彈架全通徑射孔器的研究[J].爆破，2008，25（1）：65-68.

[2]梁銳，孔凡鵬，李清芳，等.撞擊式全通徑起爆器：中國，00242181.X[P].2001－07－04.

[3]何小柏.機械設計[M].重慶：重慶大學出版社，1995：153－162.

[4]鄭明新.工程材料[M].北京：中央電視大學出版社1986：108－140.

[5]李翼祺，馬素貞.爆炸力學[M].北京：科學出版社，1992：370－426.