聚能射孔器混凝土靶穿深穩定性影響因素分析

荊立英，郭金榮，張會之

1.石油工業油氣田射孔器材質量監督檢驗中心（黑龍江 大慶163853）

2.中國石油大慶油田有限責任公司 采油工程研究院（黑龍江 大慶163453）

3.山東北方民爆器材有限公司（山東 淄博255208）

射孔完井是使用最廣泛的完井方式，射孔建立了井筒和油氣層間的通道，為后續的油氣開采提供了條件。實踐表明，射孔孔道進入油氣層越深，孔徑和孔道的一致性越好，越有利于油氣的產出，尤其是壓裂施工時，孔徑和孔道的一致性影響壓裂效果[1]。國內外均非常重視聚能射孔器穿孔性能，對穿孔深度、穿孔孔徑的研究、分析較多[2-3]，但缺少對穿孔深度一致性的研究。本文研究穿孔深度的穩定性，為進一步提高聚能射孔器的制造水平提供參考。

1 穿孔深度及穩定性

統計分析了2007—2019年國內常用的外徑89 mm、102 mm聚能射孔器地面打混凝土靶監督檢驗數據，試驗按GB/T 20488—2006標準[4]第三章規定的射孔器地面打混凝土靶試驗方法要求完成，外徑89 mm、102 mm聚能射孔器平均穿孔深度分別上升26.6%、26.4%，平均標準差分別上升65.4%、53.6%，平均標準差的上升幅度大于平均穿孔深度。

為了對比平均穿孔深度、平均標準差變化幅度，將平均穿孔深度縮小10倍（平均穿孔深度/10）、平均標準差與平均穿孔深度的比值放大1 000倍（平均標準差/平均穿孔深度×1 000）與平均標準差制圖（圖1、圖2）。由圖1、圖2可知，在2011—2013年間，穿孔深度有明顯提高，標準差也相應增加，隨著工藝水平的提高，在2015年左右標準差明顯下降，但此后仍然較高且波動明顯。表明穿孔深度提高的過程中，穿深穩定性沒有得到有效控制，且呈上升趨勢，且幅度明顯超過穿孔深度。

圖1 外徑89 mm穿深穩定性變化規律

圖2 外徑102 mm穿深穩定性變化規律

2 國內聚能射孔器穿孔深度穩定性現狀分析

以外徑102 mm聚能射孔器為例分析平均標準差較小的2008年、2009年及標準差較大的2011年、2014年和2019年數據，國內產品在2011年穿孔深度明顯提高，產品穩定性隨之下降，不同生產商的產品呈現不同特點（圖3）。第一類以A廠的產品為代表，穿孔深度增加了，但穩定性（標準差）控制的較好，在2014年平均穿孔深度增加明顯（16%），標準差僅上升9%，2019年其產品的標準差與穿深平均值的比為7.4%；第二類以B廠的產品為代表，穿孔深度增加了但穩定性（標準差）控制的一般，偶爾波動較大，在2014年平均穿孔深度增加35%，標準差上升95%，之后明顯回落，2019年其產品的標準差與穿深平均值的比為7.2%；第三類以C廠的產品為代表，穿孔深度增加了但穩定性（標準差）控制的較差，在2014年平均穿孔深度增加23%，標準差上升102%，且無大幅度回落，2019年其產品的標準差與穿深平均值的比為15.8%。由于第三類廠家的存在，造成了國內產品整體穩定性控制效果不好（圖4）。

圖3 不同年份穿孔深度標準差分布

圖4 不同年份穿深穩定性變化規律

3 穿孔深度穩定性影響因素分析

3.1 穿孔深度穩定性影響的主要因素

聚能射孔器的穿孔深度穩定性由聚能射孔器、靶體和試驗條件共同決定，試驗條件控制相對容易，主要分析聚能射孔器穩定性和混凝土靶介質均一性對穿孔深度穩定性的影響因素。

3.1.1 聚能射孔器

射孔器主要由射孔彈、射孔槍、導爆索和起爆器等組成。起爆器的作用是點火，只要雷管輸出能量滿足要求，能夠正常起爆導爆索，使導爆索爆轟波在高速爆轟狀態下穩定傳播即可，因此起爆器影響射孔器穿孔深度穩定性的程度很小。

1）聚能射孔彈。聚能射孔彈是通過錐形裝藥形成聚能射流對介質作用形成射孔孔道的核心部件，是影響穿孔深度穩定性的關鍵因素。射孔彈主要由彈殼、藥型罩、聚能裝藥組成。

①彈殼。射孔彈是通過錐形裝藥形成聚能射流對介質作用形成射孔孔道。彈殼同軸度和底部厚度對穿深穩定性也具有一定影響。這是因為，同軸度好的彈殼是保證裝藥彈體炸藥藥柱、藥型罩同軸的前提，有利于形成穩定的聚能射流[5]。當殼體較厚時，炸藥爆轟時其反射的沖擊波對藥型罩的壓垮匯聚乃至形成穩定射流有利，有助于提高穿深穩定性。

②藥型罩。藥型罩是射孔彈的核心部分，是形成金屬射流對介質進行做功的能量載體，其混粉壓制工藝和質量密度均勻性，直接影響到穿孔深度的穩定性[6]。理想的藥型罩是質量密度關于中心線軸對稱的回轉體。藥型罩制造應選用優質粉末材料，采用專業混料設備，設定合理混粉時間，確保粉末材料混合均勻。采取措施使粉末材料充滿模腔并均勻分布，提高藥型罩質量和密度分布均勻性。通過提高模具和設備精度，減小藥型罩壁厚差。藥型罩中部以上壁厚差大于或等于0.05 mm時對穿深及穩定性有一定影響，一般應控制在0.04 mm以內。藥型罩壁厚應控制在一定范圍內，102型及以上射孔彈藥型罩一般情況下不小于1 mm，根據設計需要進行調整。壁厚太薄時，射流速度變大，金屬射流質量變小，穿深穩定性降低。

③聚能裝藥。聚能藥柱是射孔的能量來源。提高裝藥密度有利于提高穿深，但提高壓制壓力會出現損傷藥型罩影響穿深穩定性的現象[7]。對于射孔彈，不同類型炸藥應控制在一定的合理裝藥密度范圍，密度過高或過低均會影響穿深及穩定性。

聚能藥柱及射孔彈整彈同軸度對穿深穩定性也有一定影響。優良的壓藥工藝和精密的設備模具能夠提高藥柱本身同軸度，同時也提高了彈殼、聚能藥柱和藥型罩三者裝配整體的同軸度，這對于提高穿深穩定性是非常有效的。

2）射孔槍。射孔彈是通過一定的排列方式裝在射孔槍內彈架上。射孔槍壁厚的均勻性、布彈方式、彈架及盲孔加工精度對穿深穩定性均有一定影響?？茖W合理的布彈方式能夠提高槍內炸高，防止彈間干擾。射孔槍壁厚和盲孔深度均勻、彈架加工精度高，有利于提高射孔器整體穿深穩定性。

3）導爆索。射孔器內的射孔彈是通過導爆索穩定爆轟順次引爆的。如果炸藥的粒徑變化大、密度不均勻，和藥芯的直徑配合不好以及炸藥純度差等，都會引起爆速不穩定。正常射孔是在高速爆轟下進行，由于爆轟波可以在高速爆轟、低速爆轟兩種狀態下傳播，并在兩種狀態之間轉換，在低速爆轟狀態下，射孔彈不能正常發射或者爆轟速度不夠，會對射孔彈穿深及穩定性產生不利影響?，F代自動化生產線促進導爆索質量提高，有助于提高射孔彈穿深穩定性。

3.1.2 混凝土靶

聚能射孔器檢驗標準SY/T 6163—2018《油氣井用聚能射孔器材通用技術條件及性能試驗方法》[8]中對混凝土靶材料、制作、養護等作了詳細規定。國內外均通過嚴格的工藝控制保證混凝土靶成分均勻、強度一致。雖不能排除偶然因素造成的靶體局部強度波動，進而影響聚能射孔器的穿孔深度穩定性，但整體影響不大。

3.2 現有工藝技術條件下部分影響因素探討

3.2.1 藥型罩材料配方的影響

調整藥型罩配方的目的是選擇一種更合理的配方制造藥型罩，以獲得更好的穿孔深度。在其他條件相同的條件下，開展對比試驗。射孔槍為102-16-90-105，射孔彈為DP41RDX32-3型，按SY/T 6163—2018標準要求制做混凝土靶，套管外徑139.7mm（5?"），試驗時混凝土靶抗壓強度為41.6 MPa、43.5 MPa。用藥型罩A和B配方生產的射孔彈組裝的102型射孔器，平均穿深分別為828 mm和892 mm，穿深相當；穿深標準差分別為47和87；穿深穩定性分別為5.7%和9.8%，穿深標準差和穩定性差別較大（表1）。試驗表明，藥型罩配方影響穿深穩定性，科學合理的配方有利于提高混凝土靶穿深穩定性。

表1 三種不同藥型罩配方聚能射孔彈穿孔性能對比

3.2.2 藥型罩壁厚差的影響

試驗選擇不同壁厚差的藥型罩的目的是研究藥型罩徑向壁厚差變化對穿孔深度穩定性的影響，以確定更合理的制造工藝參數。在其他條件相同的條件下，開展對比試驗。射孔槍為89-16-90-105，射孔彈為DP36RDX25-7型，藥型罩壁厚差不同：Ⅰ和Ⅱ，第Ⅰ組藥型罩壁厚差較小，≤0.04 mm；第Ⅱ組藥型罩壁厚差較大，0.05～0.07 mm。按SY/T 6163—2018標準要求制做混凝土靶，套管外徑139.7 mm（5?"），試驗時混凝土靶抗壓強度為42.2 MPa、40.6 MPa。用不同壁厚差Ⅰ組（≤0.04mm）和Ⅱ組（0.05～0.07 mm）藥型罩壓制的射孔彈組裝的89型射孔器，平均穿深分別為752 mm和707 mm；標準偏差分別為47和77；穿深穩定性分別為6.3%和10.9%，差別較大（表2），表明控制藥型罩壁厚差在較小范圍內有利于提高混凝土靶穿深及穩定性。

表2 兩種不同壁厚差聚能射孔彈穿孔性能對比

3.2.3 彈殼尾部錐面最小壁厚的影響

試驗選擇不同彈殼尾部錐面最小壁厚的射孔彈以對比不同彈殼壁厚對穿孔深度穩定性的影響。射孔槍為89-16-90-105，射孔彈為DP36RDX25-7型，射孔彈殼X：DP36RDX25-7X型，射孔彈尾部錐面最小壁厚2.4 mm；射孔彈殼Y：DP36RDX25-7Y型，射孔彈尾部錐面最小壁厚5.1 mm。試驗靶：標準混凝土靶，139.7 mm套管，均符合SY/T 6163—2018標準要求；靶強度：44.2 MPa。除射孔彈殼分X和Y兩種外，其他試驗條件相同。對X、Y兩種射孔彈殼壓制的射孔彈進行混凝土靶穿深穩定性對比試驗。數據顯示，用彈殼DP36RDX25-7X（尾部錐面最小壁厚2.4 mm）和DP36RDX25-7Y（尾部錐面最小壁厚5.1 mm）加工的射孔彈組裝的89型射孔器，平均穿深分別為677 mm和766 mm；穿深標準偏差分別為78和47；穿深穩定性分別為11.5%和6.1%，穿深標準偏差和穩定性差別較大（表3）。從以上數據可以看出，尾部錐面最小壁厚對穿深穩定性影響是很明顯的，科學合理的設計殼體結構，增加尾部錐面最小壁厚有利于提高混凝土靶穿深穩定性。

表3 兩種不同彈殼尾部錐面最小壁厚聚能射孔彈穿孔性能對比

3.2.4 研究與探討

以上對比試驗反映出藥型罩配方變化、藥型罩壁厚增大、彈殼尾部錐面最小壁厚變化3個方面，不但對穿孔深度有影響，對穩定性也有影響。通常認為藥型罩配方變化主要影響穿孔深度、藥型罩壁厚變化主要影響穿孔孔徑、彈殼尾部錐面最小壁厚變化對穿孔性能影響較小，分析具體工藝過程可以發現藥型罩配方變化會導致同部分工藝調整，從而影響到整體性能?？梢?，產品穩定性控制復雜、難度大，在現有工藝技術條件下，主動或被動調整某一參數往往會影響其他參數，甚至會出現牽一發而動全身的現象[9]，想要進一步提高穩定性需要在基礎研究上提高認識，充分考慮到各方面因素，以期獲得最大穿孔深度、最佳穩定性和更低成本控制的平衡點。

為了進一步降低人工操作以及各工藝環節的影響，近年來國內生產企業逐漸由人工操作向自動化操作轉變，精細控制各環節，以期獲得更穩定的產品，如中國石油集團測井有限公司西南分公司研發的射孔彈自動化壓裝生產系統，利用該系統生產的產品穩定性由原來的93%提高到96%[10]，可見自動化生產也是提高產品穩定性的一種有效途徑。

4 結論

1）2007—2019年間國內聚能射孔器產品穿孔深度呈上升趨勢，外徑89 mm、102 mm分別上升26.6%、26.4%，標準差分別上升65.4%、53.6%，穿孔深度穩定性沒有得到有效控制，且上升幅度超過穿孔深度。

2）穿孔深度穩定性下降的主要原因是部分制造商的產品在穿孔深度提高的同時穩定性沒有得到有效控制，影響了國內產品的整體水平。

3）分析了影響穿孔深度穩定性的主要因素和部分因素的影響程度，有助于國內制造商改進工藝，進一步提高產品穿孔深度穩定性，以期獲得更好的射孔施工效果。