油气井射孔火工品失败原因分析-.pdf

2 0 0 4年 第 2期 测 井与 射孔 油气井射孔火工品失败原因分析 周 璺 宋 留群 兵器 工业西安2 1 3 所 童士斌 门孟 东 辽河油 田测 井公司 摘要 本文对油气井射孔中出现的火工品半爆、 熄爆 、 燃烧等非正常射孔现象， 从理论上进行了分 析 。 并提出了相应的判断方法及解决办法。 关键词 射孔传爆传爆管导爆索射孔弹 1 概述 众所周知 ， 射孔是完井作业 中的最后一道 工 序 ， 所有的努力都在这最后一刻见分晓。然而 ， 却 由于种种原 因， 在最后 本该射孔 的时候 出现 了不 射孔的情况 ， 造成 了巨大损失。对此 ， 笔者从各种 可能影响因素方面作一种探索式分析 。 2 产生现象 我们知道 ， 射孔器 的内部构成基本是一样 的。 大多 由发火头 或 称起爆 器 、 雷管 、 传爆管 、 导爆 索 、 射孔弹 、 弹架 、 射孔枪管等几个部分组成 。 为常用 的油管输送式射孔作业 时 ， 其起 爆射 孔过程为 发火头一传爆 管一导爆索一射孔弹 即在 电或非 电的激发作用下 ， 发火头 或称起 爆器等 起爆， 引爆其紧邻的传爆管， 传爆管引爆 导爆索， 导爆索起爆串联在其上的无数发射孔弹， 实现射孔 。 然而 ， 在进行射孔作业时， 尤其是较长枪 串的 油管输送式射孔作业 ， 人 们发现经常 出现这 样的 现象 1 发火头起爆 ， 传爆管未起爆 ； 2 传爆管起爆 ， 导爆索未起爆 ； 3 导爆索起爆 ， 射孔弹未射孔 ； 4 导爆索起爆 ， 射孔 弹起爆 ， 射孔枪 身未射 孔 ， 射孔枪身中有多处鼓包现象， 或枪身中有一处 或多处被撕裂 ； 5 在 多支射 孔枪 串联 作业 中， 上级射孔枪 正常射孔 ， 下级射孔枪正常射孔 ， 中间的射孔枪未 射孔 ， 但中间枪 的导爆索 已不复存在 ； 6 在多支射孔枪 串联作业 中 ， 上级 射孔枪 未射孔 ， 下级 射孔枪 未射孔 ， 但 中间射孔枪 射孔 了 ； 7 在同支射孔枪 中， 上半部没射孔 ， 下半部 没射孔 ， 中间部分射孔 。 以上种种现象的发生 ， 严重影响 了正 常的生 产 ， 也促使我们的科技人员来探索其 中的可能性 。 3 现象分析 通常人 们 在 评价 射 孔 时所 说 “ 响 了” 或“ 爆 了” ， 这是一个不准确 的说法 ， 虽然发生 的现象都 符合 了炸药爆炸的三要素 反应 的放热性 ， 快速的 反应性和生成气态 物质。按 照爆轰理论 的观点 ， 随着反应方式和反应环境条 件 的不 同， 炸药的化 学变化过程能够 以不 同的形 式进行 ， 而且在性质 上也是有 很大 的差别 。按 反应 的速 度和传播 性 质， 可以将炸药的化学变化分为缓慢的化学变化 热分解 ， 燃烧和爆轰。 燃烧和爆轰是炸药呈剧烈化学反应的表现。 它们与一般的缓慢化学变化的主要区别在于 燃 烧和爆炸不是在全体炸药 内进 行 ， 而是在某一局 部发生的， 而且二者都 以化学反应 波的形式在炸 收稿 日期 2 0 0 3 1 2 2 2 作者简介 周墨， 男， 1 9 6 1 年 1 2 月生 毕业于北京理工大学。副主任设计师， 企业科技带头人 ， 硕士生导师。参与四十多项民爆产品的 设计 ， 获五项国家实用新 型专 利及多项省部级 奖 发表学术论 文 1 2篇 。 维普资讯 测 井与 射孔 2 0 0 4阜 药中按一定的速度一层一层地 自动进行传播 。化 学反应区比较窄 ， 化学反应就是 在此很 窄的反应 区内进行 和完成 。 炸药的爆轰是在一定条件 下 ， 以其最 大速度 而传播 的爆炸变化。爆速一般可达每秒数千到近 万米 。爆轰速度受外 界条件的影响很小 ， 在爆炸 点附近压力急剧升高 ， 无论在敞开体 系或 密闭容 器 中， 爆炸产物都急剧的冲击周围介质 ， 从而导致 对附近物体的毁伤和变形。 爆轰过程有稳定爆轰 和不稳 定爆轰 也 有书 上称其为爆燃 。传播 速度恒定不变 的称 为稳定 爆轰 ， 传播速度变化的称为不稳定爆轰 。 炸药化学变化过程的三种形式在性质上虽各 不相 同， 但它们 之间却有着 紧密 的内在联系 。炸 药的缓慢分解在一定的条件下可以转变为炸药的 燃烧 ， 而燃烧在一定条 件也可以过渡到不稳 定的 爆轰 ， 进而发展为稳定爆轰。根据需要 ， 研究人员 也可以将炸药的爆轰转变为燃烧 ， 达到其特 定的 目标要求 。 综上所述 ， 在了解 了炸药的部分化学性 能后 ， 我们针对在射孔 中所发生 的部分现象 ， 分别分 析 发火头 、 传爆管 、 导爆索、 射孔弹等爆破器材对 射 孔 的影响 。 3 ． 1 发火头的影响 发火头 或称起爆器 是射孔器组成 中的初始 爆炸元件 ， 它是 否正常作用 ， 对整个传爆系列至关 重 要 。 一 般的发火头里 主要构成是 撞击击针 、 撞击 火帽、 火焰雷管、 扩爆药柱。 其作用过程是 在外加激发 能量作用 下 压力或撞 击 ， 撞击 击针向下运动 ， 刺人撞击火帽内， 撞击火帽发火输 出火焰 ， 将火焰雷管引燃 ， 火焰雷管里的装药确保 将燃烧转 为稳定爆轰波输 出， 紧接的扩爆 药柱将 威力相对小的爆轰能量进一步放大输出。 撞击火帽发火遵循 的是撞击起爆 机理 ， 也属 于热点起爆 机理 ， 即炸药 火 帽 中装 配 的是击 发 药 在受到机械作用下产 生的热来不及均 匀分布 到全 部炸 药 试样 上 ， 而是 集 中在 一些 尺 寸 只有 1 O ～1 0 c m 的局部小点上， 例如集 中在个别结 晶的棱角或小气 泡处。热分解在 某小点开始 ， 并 且由于分解的放热性质 ， 分解速度迅速增加 ， 使小 点的温度高于爆发点 ， 爆炸就在这些小点发生、 成 长并扩展到整个炸药。 撞击火帽的发火， 必须具有一定 的撞击能量 。 对火帽的撞击感度表示较多的是上下限法 。上 限 是指 1 0 0 爆炸时的最小感度 ， 下限是指 1 0 0 不 爆炸时的最大感度 。测定上下 限时， 采用 固定的 锤重 ， 改变落高 。 撞击火帽的发火， 需要 的是冲击能量 ， 而不是 靠静压力 。有这样 的情 况 ， 施工后 ， 提 出管 串时， 发现击针刺人火 帽里 的深 度很深 ， 但是火帽却未 发火。这有可能是在各 种原因作用下 ， 撞 针在初 始刺人火帽中时 ， 能量不够 ， 没有达到炸药中热点 起爆 的所需能量 ， 而在随后的井液静压作用下， 撞 针缓慢的深人的刺人火 帽内 ， 但这 已不能使 火帽 发火了。也有可能是火帽装药漏装或少装药等火 帽 自身装配因素或加工 因素 的影 响。因此 ， 在施 工中， 一方面要确保 投棒 在油管 串内能快速运动 即保证油管串内干净 ， 且井斜不能过大 ， 保证投 棒有足够的撞击力 ， 另一方面 ， 从设计 、 生产方面 ， 应减少撞针及装配活塞 的动摩 擦 ， 及 避免火帽生 产中的问题 。 目前有一种说法存在 ， 该观点认为， 如果撞击 火 帽的输 出威力 过小 ， 则对 之后 的雷 管引爆及输 出威力都有影响。这一点与电雷管的发火起爆 电 流过小 ， 输出时的起爆威力也相对小 ， 有相同的地 方 。对这一说法还需进一步分析验证 。 影响发火头输 出的第 二个 主要 因素是雷管 。 雷管的主要装药是起爆药和猛炸药。缺少任何一 种都不能达到输出足够威力的爆轰波。在雷管生 产 中， 有严格的操作工艺与要求 ， 但也不能排除少 装药或压药压力不足等情况 的发生 。相对而言 ， 在雷管上出问题的因素少一些。 影响发火头输 出的第 三个 因素是 扩爆药柱 。 这是一个炸药柱 ， 其作用是将 雷管输 出的稳定爆 轰能量扩大后输 出， 但是如果 压制条件 药量、 压 力、 保压等 制定的不合理， 生产过程不合理， 反而 会得到相反的效果 。 3 ． 2 传爆管的影响 传爆 管由传爆 管装 药和 传爆 管 壳两部 分组 成。它的作用一是接受发火 头 的输 出能量， 将其 以稳定爆轰速度传递给导爆索， 二是下枪传爆管 接受上枪传爆管的输 出， 将其 以稳定爆轰速度输 出传递给导爆索， 三 是将 可能 或略 已衰减的爆速 提到正常爆速输 出。 维普资讯 第 2期 周璺等 油气井射孔 火工品失败原因分析 一 般设计的传爆管基本装药为猛炸药。施工 中在传爆管处发生过许 多问题 ， 这就是半爆 熄爆 或不能引爆 。 作 为结构简单 的传爆 管， 之所 以会 出现上述 问题， 需要具体分析 第一种情况 ， 传爆管底部被炸 了个坑 ， 没响 。 发生这种情况 ， 可 以推 断为发火 头或上枪输 出能 量不足 ； 第二种情况 ， 传爆管半爆。有可 能是发 火头 或上枪输入能量不足 ， 也可能是传爆 管设 计结构 装药不合理 ， 过于钝感所致 ， 或是生产过程不合理 所致 。如果在枪与枪之间多发生下传爆管半爆现 象 ， 则可能与传爆管设计结构有一定的关系 ， 需较 多的从这方 面找问题 。若发生上传爆管 的半爆 ， 多与导爆索能量输入不足有关 。 第三种情况， 传爆管炸了 甚至可见少许传爆 管壳残余物 ， 但未 引爆导爆 索 。发 生这类 问题 时 ， 则应多从导爆 索上 ， 装配上和装枪结构设计上 来查找原 因。但也不能绝对排除传爆 管的可能 ， 宜做一些实验来验证 。 3 。 3 导爆索的影响 在射孔失败中 ， 导爆索所占的影响份额较大。 曾经发生的上级枪射孔 ， 下级枪射孔， 而中间枪不 射孔的情况 ； 或上级枪 、 下级枪不射孔 ， 中间枪射 孔； 或同支抢中， 前半部分、 后半部分不射孔， 中间 部分射孔的现象， 大多是导爆索未达到稳定爆轰 所致。为什么会 出现这样的问题呢这需要从爆 轰理论上来解释。 凝聚炸药的爆轰反应机理不外 三种类型 整体反应机理 ， 表面反应机理和混合反应机 理 。 整体反应机理指 出， 炸药在强冲击波 的作 用 下， 爆轰波阵面的炸药受到强烈的绝热压缩， 使受 压缩炸药的温度均匀升高 ， 化学反应在反应 区的 整个体积内进行 。对 于结构很均匀的固体炸药以 及无气泡和无杂质的均匀液体炸药， 它们在爆轰 过程所发生 的高速化 学反应机 理是 整体反应 机 理 。 表 面反应机理是指 自身结构不均匀 的炸药 ， 如松散多空隙的固体粉 状炸 药， 晶体炸药和 由这 些粒状炸药压制成的炸药药柱， 以及含有大量气 泡或杂质的液体炸药或胶质炸药等 。在 冲击波的 作用下受到冲击波剧烈压缩时 ， 整个压缩层炸药 的温度并不是均匀的升高并 发生灼热， 而是个别 点 的温度升的很高， 形成“ 起爆中心” 或“ 热点” ， 并 先发生化学反应， 然后在传到整个炸药层， 也就是 说 ， 化学反应首先是在炸药颗粒的表面 以及炸药 层中含有气泡的周围形成“ 起爆中心” 处进行的， 因此 ， 这种反应机理称作表面反应机理。 混合反应机理是物性 不均匀的混合 炸药 ， 尤 其是固体混合炸药所特有的一种爆炸反应机理。 其特点是 反应不是在炸药的化学反应区整个体 积内进行的， 而是在一些分界面上进行。该机理， 兼备了前两者的部分性质。 在凝聚炸药的起爆 与传播 中， 有两个必要条 件， 引发爆轰的第一个必要条件是， 要求起爆的冲 击波速度必须高于被发装药的临界爆速， 它取决 于主发装药的性能 和实验条件． 如果起爆炸药的 爆速很高， 则很容易满足这个要求。引发爆轰的 第二个必要条件是化学反应中所放出的能量使起 爆冲击波阵面保持必要的压力 ， 它与被起爆炸药 的直径和外壳 的性质有关 。 对于任何一种炸药装药， 若要引起它的爆轰， 则要求起爆 冲击波 的速 度必须 不低 于某个临界 值 ， 即炸药的临界爆速 。当冲击波的速度 低于临 界爆速时 ， 虽然冲击波的作用不能直接引爆炸药 ， 但 由于存在起爆炸药爆轰产物 的直接作用 ， 有 可 能会点燃被发装药， 再由燃烧转变为爆轰。如果 导爆索比较长， 则会转为稳定爆轰， 这就可以解释 在有的情况下导爆索在燃烧 了一段长度后 ， 射孔 弹又正常射孔的原因。 爆轰理论告诉我们 ， 爆轰传播的进行要受到 许 多因素 的影响 ， 有临界直径的影响 ， 有装药物理 状态的影响 ， 有炸药装药密度的影 响， 有装药外壳 的影响 ， 有温度的影响 ， 有附加物 的影响等。对导 爆索爆速影响较大的主要是装药密度和装药外 壳 。一般情况下 ， 爆速随密度 的增加而增加 ， 装药 密度与爆速的关系见表 1 表 1 装药密度与爆速的关系 p g a n - 。 1 ． O 6 1 ． 1 8 2 ． 5 6 3 ． 5 1 3 ． 9 6 4 ． 0 5 Pb N6 m s 一 2 6 6 4 3 3 2 2 4 4 7 8 4 7 4 5 5 1 2 3 5 2 7 6 钝 化 p g a n - 。 1 ． 2 5 1 ． 3 O 1 。 3 5 1 。 4 0 1 ． 4 5 1 ． 5 O 1 ． 5 5 1 ． 6 O RDX m s 一1 6 6 6 0 6 8 7 5 7 1 2 5 7 31 5 74 7 0 7 6 4 0 7 8 2 0 7 9 9 5 在导爆索装药 中， 由于技 术 的、 机 械的、 或人 为的种种影响 ， 极易发生装 药密度不均 的情况和 包覆层破裂的情况 ， 装药不 均通常发生为装药 密 维普资讯 7 2 测 井与 射孔 2 0 0 4皋 度减小， 甚 至发生漏装药 的情况 。这些都会 造成 导爆索由爆轰传递转为燃烧， 甚至断火 或熄爆 的可能。这就是 为什 么出现在射孔枪 中， 一段射 孔后 ， 下一段又燃烧乃至熄爆的原 因。 3 ． 4 射孔弹的影响 曾经发生过这样 的事例 在某油 田的高温井 施 工 中， 出现了多 次射孔 弹穿孔率极 低 的情 况 。 为此 ， 厂家与施工单 位一起进行 了地 面试验 。在 串联组合的地面试 验 中， 射孔 弹的穿孔率仍然很 低。之后 ， 实验者又换 了另一家弹厂生产 的射孔 弹进行试 验 。这次 ， 射孔 弹却全 部正 常射孔 了。 试验证 明， 是射孔弹的质量问题 。 一 般 的陆地射孔 弹， 由五个部分组成 传爆装 药 ， 主装药 ， 药 型罩 ， 弹壳 ， 压丝 。在 这 五个 因素 中， 任何一个 因素不合 格都有可能造成射孔 弹的 不合格 。主要影响分述如下 1 装药影响 射孔 弹的装药有传爆 装药和主装药两部 分 。 传爆装药 是感度相对 较高 的炸药 ， 主装药感 度则 相对较低 。传爆装 药接收导爆索 的爆轰 能量后 ， 将其放大输出， 引爆主装药， 实现射孔的目的。 传爆 药装药量及主装药量要符合传爆系列 中 的质量 比要求 。传爆装药 的压力也应选则在一合 适 的范围内， 压力过大或过小 ， 都会导致不能正常 射孔 。如果选择 了压力值不 准确 的压力表 ， 有 可 能导致整批射孔 弹成废品。在手工装配压制过程 中， 容易产生漏装药的情况 ， 也会造成严重后果。 2 弹壳的影响 弹壳的影响 ， 主要体现在加工尺寸上 ， 加工精 度上是否符合设计要求 。如果弹壳 的传爆孔尺寸 加工过小 ， 厚 度 过大 ， 或卡导爆 索 的卡槽 尺 寸过 大 ， 均会影响正常射孔效果 。 3 压 丝 的影 响 压丝在射孔 弹上是一个 最不起 眼的零件， 就 象密封 圈在 射孔 器 中一样 所 占的份 额极 小。然 而， 它的作用却极其重要。现在的射孔枪装配多 数是在基地 的炮班 内完成 ， 然 后运到野外 的施工 厂地去。因此， 射孔弹要承受正常的运输震动。 如果压丝的粘接强度不够 ， 或压丝 自身的强度不 够 ， 形成压丝脱落 ， 松动或变形 ， 均会形成导爆索 与射孔弹之间的间隙增 大， 即空气隔板加大 ， 从而 发生导爆索的输 出威力在射孔 弹接收上 的降低 ， 最终影响射孔弹的射孔效率 。这在高温器材的施 工 中， 反映 出来 的状况较 为 明显 ， 应 予 以特别 注 意 。 3 ． 5 其他因素 对射孔效果 产生 的其 它非火 工器 材 的因素 有 装配时， 人为的影响。如传爆管与导爆索是否 装配到位 ， 射孔弹压丝是否压紧 ， 射孔弹是否放置 于合适的弹架内等 ； 设计上 ， 是否保证了连接接头 内 ， 上下传爆管是否在 同一水平轴线上 ， 有射孔枪 本 身， 弹架等 的影响等 。 4 结束语 射孔作业中 ， 影响射孔效果 的因素有很多， 是 众多射孔人探讨 了多年 的一个 大课题 ， 笔者在此 列举分析了一些原 因， 希望能不断将其完善 ， 为我 国的石油工业作 出应有的贡献。 参考文献 [ 1 ] 惠君明著． 炸药爆炸理论南京江苏科学技术出版社 ， 1 9 9 5 [ 2 ] 陈福梅． 火工品设计． 北京工业学院 8 4 教研室， 1 9 8 3 维普资讯