關(guān)于GB/T 20489-2006中高溫、超高溫聚能射孔器評(píng)價(jià)的探討

王 銳，荊立英，李東傳，余海鷹

石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 （黑龍江 大慶 163853）

高溫影響射孔器材的穿孔性能和安全性能。高溫井射孔作業(yè)過程中會(huì)因溫度的影響而導(dǎo)致事故的發(fā)生,如射孔彈爆燃、射孔器未射孔、射孔器串未完全射孔或射孔效果差等。這主要是由于選用了相對(duì)低耐熱指標(biāo)的射孔器材、導(dǎo)爆索和傳爆管傳爆性能下降、射孔彈聚能效果下降、射孔槍內(nèi)炸藥熱分解釋放出氣體造成槍內(nèi)壓力過高點(diǎn)火起爆時(shí)射孔器不能正常起爆等原因造成的。

為了保證射孔施工的質(zhì)量需要控制射孔器材產(chǎn)品質(zhì)量。目前，國內(nèi)射孔器材檢測(cè)與評(píng)價(jià)執(zhí)行的是GB/T 20488-2006《油氣井聚能射孔器材性能試驗(yàn)方法》[1]和GB/T 20489-2006《油氣井聚能射孔器材通用技術(shù)條件》[2]，其中GB/T 20488-2006修改采用了API RP19B油氣井射孔器評(píng)價(jià)的推薦作法[3]中的試驗(yàn)方法。

對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)需求標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于射孔器材耐溫性能的規(guī)定存在如下缺陷：①由于高溫射孔器材產(chǎn)品在高溫條件下使用,常溫條件下評(píng)價(jià)的意義不大;②高溫、超高溫射孔彈在高溫條件下的評(píng)價(jià)指標(biāo)僅為要求恒溫2h，需要增加產(chǎn)品的耐溫時(shí)間來反映產(chǎn)品的性能變化；③高溫常壓檢驗(yàn)項(xiàng)目未給出統(tǒng)一的要求為產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求,不利于在同一水平上的質(zhì)量評(píng)價(jià)。

國內(nèi)部分油田用戶開展了溫度對(duì)聚能射孔彈性能影響研究，但未給出評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]。為了完善檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在分析了現(xiàn)場(chǎng)需求、國內(nèi)產(chǎn)品整體水平基礎(chǔ)上探討了在現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上合理評(píng)價(jià)的可行性。

1 溫度對(duì)產(chǎn)品性能的影響

1.1 溫度對(duì)炸藥性能的影響

聚能射孔彈常用炸藥有 RDX、HMX、HNS和PYX 4種，熱分解遵循相應(yīng)的炸藥規(guī)律[5]，熱分解過程中不僅產(chǎn)生氣體，而且要釋放出熱量。隨著溫度的升高，分解加快并釋放出氣體使射孔器內(nèi)部壓力升高，受壓力的影響炸藥分解速度有所降低。國外給出了炸藥耐熱的溫度-時(shí)間曲線[6]，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)一般參照使用以保證安全性。

1.2 溫度對(duì)火工件的影響

聚能射孔器內(nèi)裝有射孔彈、導(dǎo)爆索和傳爆管等火工件。對(duì)于聚能射彈，高溫影響了裝藥成份、密度和應(yīng)力分布，因而影響了爆速及射流，表現(xiàn)為聚能射孔器的穿孔性能；對(duì)導(dǎo)爆索、傳爆管而言，其裝藥密度要遠(yuǎn)小于射孔彈的裝藥，高溫主要影響了裝藥成份、密度表現(xiàn)為傳爆性能下降。

一般而言，射孔槍的接頭處導(dǎo)爆索是斷開的，傳爆是依靠?jī)啥祟^裝有的傳爆管在一定距離內(nèi)殉爆。由于導(dǎo)爆索受熱作用要發(fā)生收縮（80RDX收縮率一般小于6%，80HMX收縮率一般小于1%），造成兩傳爆管之間距離拉大，傳爆性能明顯下降。再者導(dǎo)爆索的包覆層和涂層的耐溫性能可也能影響其整體性能，如某型聚能射孔器在200℃、100h的高溫常壓試驗(yàn)中因?qū)П魍繉尤紵鸬脑囼?yàn)失敗（圖1）。

圖1 涂層引起燃燒后的導(dǎo)爆索

2 井下施工對(duì)射孔器性能的要求

2.1 井下環(huán)境條件及輸送方式

隨著國內(nèi)油氣田勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，油氣井中目的層度越來越深、溫度也越來越高，施工工藝也隨之發(fā)生了變化。井深不大于4 000m時(shí)，井下溫度一般低于120℃，通常采用電纜輸送或油管輸送射孔（TCP）；井深在 4 000～5 500m，井下溫度一般在120～150℃，通常采用油管輸送射孔（壓力和投棒起爆方式射孔都可以）；井深在5 500～6 000m，井下溫度一般在150～180℃，通常采用油管輸送射孔（壓力起爆方式）；井深在6 000～7 000m，井溫達(dá)到180℃，最高接近210℃，一般采用油管輸送射孔（壓力起爆方式）。電纜輸送射孔作業(yè)時(shí)間較短，正常情況下不超過2h；油管輸送射孔隨著目的層深度的增加時(shí)間逐漸延長，正常情況下直井不超過48h、水平井不超過72h，考慮到施工工藝的復(fù)雜性及意外情況處理等原因需要預(yù)留時(shí)間，總的作業(yè)時(shí)間可能超過100h甚至更長。

2.2 對(duì)射孔器耐溫性能的要求

盡管一般的油管輸送射孔作業(yè)需用時(shí)間小于100h，但從射孔作業(yè)的復(fù)雜性、安全性和可靠性出發(fā)，需要考慮到具體深度、施工過程中的時(shí)間延誤等因素，并依據(jù)井的深度、溫度、工藝以及射孔器材的耐溫極限等選用合適的產(chǎn)品。因井下溫度越高、作業(yè)時(shí)間越長對(duì)射孔器材的耐溫性能要求也越高。

3 分組與評(píng)價(jià)

3.1 耐溫指標(biāo)分組

現(xiàn)場(chǎng)一般依據(jù)井深、目的層溫度、施工特點(diǎn)選擇耐溫性能能夠滿足要求的射孔器材產(chǎn)品，如深度在4 000m以下的井目的層溫度一般不超過120℃，作業(yè)時(shí)間不超過48h的，可選擇常溫級(jí)的射孔器材產(chǎn)品。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需要確定了使用的射孔器材產(chǎn)品應(yīng)該達(dá)到的耐溫性能，并對(duì)射孔器材的耐溫性能進(jìn)行分組（表1），以滿足檢驗(yàn)評(píng)價(jià)的需要。

表1 聚能射孔器耐溫性能分組

3.2 評(píng)價(jià)方法

將國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20489-2006中對(duì)高溫、超高溫射孔器的抽樣類別由其他改進(jìn)為計(jì)量抽樣 （表2）。判定規(guī)則如下：

表2 穿孔深度、穿孔孔徑計(jì)量抽樣方案

其中L為單側(cè)下規(guī)格限（判定為合格的最低指標(biāo)），k 為接收常數(shù)為樣本均值，mm，按公式（1）計(jì)算，s為樣本標(biāo)準(zhǔn)差，mm，按公式（2）計(jì)算。

式中：n為樣本量,個(gè)；xi為第i個(gè)樣本的檢驗(yàn)值，mm 。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

利用GB/T 20488-2006中的高溫常壓鋼靶射孔試驗(yàn)方法來測(cè)試對(duì)聚能射孔器性能的影響。試驗(yàn)樣品選用3個(gè)有代表性廠家的外徑102mm的5種聚能射孔器產(chǎn)品。每種聚能射孔器連續(xù)裝配聚能射孔彈8發(fā)，聚能射孔器和靶的間隙為0。試驗(yàn)后，測(cè)量靶上孔道的穿孔孔徑和穿孔深度,并計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)。以180℃恒溫150h的試驗(yàn)條件為例分析確定了外徑102mm聚能射孔器的評(píng)價(jià)指標(biāo)（單側(cè)下規(guī)格限），見表 3。

表3 不同溫度條件下的試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì) /mm

射孔段套管壁厚一般為8～10mm，水泥環(huán)厚度一般不超過45mm。目前國內(nèi)高溫、超高溫射孔器在鋼靶上的穿孔深度不低于100mm，完全有能力建立起油氣層和井筒間的通道。考慮到國內(nèi)產(chǎn)品水平等因素，穿孔深度評(píng)價(jià)指標(biāo)推薦為130mm，穿孔孔徑評(píng)價(jià)指標(biāo)推薦為10.0mm。同理確定了其它直徑的油田常用的高溫級(jí)、超高溫級(jí)聚能射孔器的評(píng)價(jià)指標(biāo)（表 4）。

表4 高溫條件下鋼靶穿孔深度和穿孔孔徑下規(guī)格限 /mm

3 結(jié)論與建議

1）按井下溫度、作業(yè)時(shí)間對(duì)聚能射孔器的耐溫性能進(jìn)行分組，為合理檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)其耐溫性能奠定基礎(chǔ)。

2）在新分組的基礎(chǔ)上對(duì)聚能射孔器進(jìn)行了高溫常壓條件下鋼靶射孔試驗(yàn)并確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。建議盡快修訂GB/T 20489-2006以滿足生產(chǎn)需求。

3）聚能射孔器高溫常壓打鋼靶的評(píng)價(jià)指標(biāo)需要進(jìn)一步完善。建議在參考國外產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上合理提高指標(biāo)，以促進(jìn)國內(nèi)產(chǎn)品穿孔性能的提高。

[1]GB/T 20488-2006油氣井聚能射孔器材性能試驗(yàn)方法[S].

[2]GB/T 20489-2006油氣井聚能射孔器材通用技術(shù)條件[S].

[3]API RP 19B油氣井射孔器評(píng)價(jià)的推薦作法[S].

[4]董經(jīng)利,陳序三,邵在平,等.高溫高壓條件下射孔效能試驗(yàn)研究[J].測(cè)井技術(shù),2008,32(2):100-104.

[5]許光,吳承云,于蔭林,等.混合炸藥對(duì)溫度漸變環(huán)境適應(yīng)性研究[J].火炸藥,1997,(1):15-19.

[6]陸大衛(wèi).油氣井射孔技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2012.