油气井用火药的耐高温性能研究-.pdf

2 0 0 7 年 第 4期 测 井 与 射孔 油气井用火药的耐高温性能研究 成建龙 孙 宪宏 乔晓光 艾 晓莉 西安通源石油科技股份有限公 司 摘要 采 用经典火药热分解理论分 析油气井用火药在高温环境 下 的性 能变化规 律 ， 针 对油气井油层 作 业段高温 、 高压以及相对密 闭的特殊环境 条件 ， 提 出了一套较为系统的火药耐 高温实验装 置和实验方法 、 火药 燃烧性能检测装置和检测方法 以及火药的耐高温性能分析方 法。同时对几 种与油 气井 常用 的火 药组分相类 似的火药进行了系统的耐 高温性 能实验和分析 ， 实验和分析结果表 明了火药 在高温环 境下的性能 变化 规律 ， 增强人们对火药耐高温性能的认识 ， 对 进一 步探索 和建立 油气井用火 药 的性能检 测方法起 到一定 的借鉴 作 用 。 关键词 油气井火药热分解特性 高温性能研究方 法 一 1 前言 火药是油气井高能气体压裂和高能复合射孔 的主要 动力和能量来源， 同时也是 高能气体压裂 和高能复合射孔这两项产品的技术核心 。由于油 气井的特殊环境需要 ， 不仅要求火药具有好 的做 功能力 ， 还必须具有 良好的适应井 下高温环境 的 能力 。在以往的研究中， 对火药 的耐高温性能往 往过 于强调 在某 种温 度条件 下不 发 生 自燃 或 自爆 等现象， 或者认为不发生 自燃或 自爆 的环境温度 就应该是火药的耐温指标 ， 而忽视 了在高温条件 下 由于火药 自身 的热分解引起的性能变化 ， 这一 性能变化可能会降低施工 的可靠性和效果 ， 它不 仅会影响火药的做功能力 ， 甚至会影 响施工作业 的安全性 ， 造成施工作业的失败 。因此， 综合考查 火药的高温性能 ， 才能确保在施工安全 的前提下 作用效果最佳化。基 于上述原 因， 开展油气井火 药 的高 温性 能 研 究是 十 分 必要 的 。 图 1 、 图 2为 两种不 同用途火药经高温作用后的情况。 本文基于对火药在高温条件下性能变化的认 识 ， 采用火药的热分解理论对在高温环境下的性 能变化规律进行了分析 ， 并针对油气井油层作业 段高温 、 高压以及相对密闭的特殊环境条件， 提出 了一套较为系统的火药耐高温实验装置和实验方 图 1 某油气 井火药 高温作用后状态 图 2 某 军用火药高温作用后状态 收稿 日期 2 0 0 7 0 7 3 0 作者简介 成建龙， 1 9 6 1年生 ， 高级 工程师 ， 毕业于北京理工大学爆 炸物理专业 ， 现在西安通源石油科技股份有限公 司从事油气 井火药与 复合射孔技术 的测试与机理研究工作 。 维普资讯 测 井与 射孔 2 0 0 7鱼 法、 火药燃烧性能检测装置和检测方法以及火药 的耐高温性能分析方法。同时对几种与油气井常 用的组分相类似的火药进行 了系统 的耐高温性能 实验和分析 ， 实验和分析结果表 明了火药在 高温 环境下的性能变化规律， 能够增强人们对 火药耐 高温性能的认识 ， 对进一步探 索和建立油气井用 火药的性能检测方法起到一定的借鉴作用。 2 火药高温条件下的热分解特性 火药与其它化学物质一样， 在一定 的温度条 件下能够进行缓慢的化学变化 ， 这种变化在火炸 药学上被称为热分解 ， 是火药化学变化 的一种形 式 ， 属化学动力学范畴。热分解的速度随火药所 处 环境 温度 的变 化 而 变化 ， 这 种 变化 对 火 药 性 能 影响较大， 热分解 的严重后果是使火药的能量下 降， 力学性能降低 ， 药柱破裂甚至 自动着火n ] 。 通 常在 常温下 ， 火药 具有一 定 的稳 定性 ， 除少 数分子处于激发态可缓慢分解外 ， 绝大多数分子 都处于稳定态 ， 所 以在较长 的时间内性能不会发 生显著变化。而当火药受到加热作用时， 发生热 分解的活化分子数 目增多 ， 这时反应速度就会加 快 ， 反应放出的热量也增加， 火药的温度会 自动升 高 ， 这反过来又促进反应速度的加快 ， 所 以高温环 境下 ， 在较 短 的 时间 内火药 的 性 能会 发 生 较 大 的 变化 ， 并且随着环境温度的升高， 变化更为显著 。 热分解一般用在某一特定时间内分解出气体的摩 尔量来表示 。图 3为某种火炸药在不同温度条件 下热分解动力学曲线的变化规律。 图 3 某种火炸药 1 O 0 ～1 5 0 ℃下热分解动力学 曲线 上述分析表明， 温度是影响热分解化学反应 的一个重要因素。范特荷夫曾根据实验总结给出 一 条近似规则 ， 即温度每升高 1 O ℃， 热分解 的反 应速 度就 会增 加 约 2 ～ 4倍 [ 1 ] 。但 各种 化 学 反 应 速度 与温 度 的关 系 很 复 杂 ， 在 现 代 火 炸药 热 分 解 理论 中， 常用来 表 述 热分 解 反 应 速 度 与温 度 之 间 关 系的是 阿 累尼 乌斯 方程 [ 2 ] k Ae E 4 ／ 盯 1 或 I n k一一Ed ／ R T l m4 2 式中， k为温度 T 时， 热分解的反应速度常数 ， 1 ／ S ； A为指前 因子 ， 或频率 因子 ； E d为热分解 活化 能， J ／ too l ； R为摩尔气体常数 ， 8 ． 3 1 4 J ／ mo 1 ． K ； T为绝 对温度 ， o I 。 公式揭示 了火炸药受高温影响其性能变化的 一 般规律。从式 中可 以看 出， 活化 能 E 对热分 解反应速度的影响十分显著 ， 当反应 的活化能较 大时 ， 则 化 学反应 的速度 就较 慢 ， 反应 往往需 要在 较高的温度下进行 ， 说明温度 的变化对反应速度 的影 响很大 。当反 应 的 活化 能 较 小 时 ， 则 化学 反 应 速 度 较 快 ， 温度 变 化 对 反 应 速 度 的影 响 较 小 。 当反应的活化能一定 时 ， 所处 的环境 温度 T越 高 ， 热分解的反应速度就越快 ， 当温度 T较低时， 热 分解 的反应 速度 就较缓 慢 。 上述的分析结果表明了高温作用下火药的热 分解规律 。掌握火 药热分解规律 的 目的在于开 发 、 选择和使用适合于油气井用途的高性能火药， 使火药在高温环境下， 尽可能保持其物理 、 化学性 质不发生显著变化 ， 具有 良好的热安定性， 这样才 能保证在使用中达到预期效果 。 3 研究方法 研究火药的高温性能必然要涉及火药的高温 实验方法和性能实验方法 ， 对于高温实验方法 ， 军 工上大多采用热失重法、 压力法或差热分析法等， 利用在一定温度 和时间下火药的失重 、 分解 出气 体的压力或释放 出的热量分析计算热分解的相关 参数 ， 一般实验样 品的药量为 1 ～5 g ， 这些方法注 重于对 火 药热分 解 的机 理 性 研 究 ， 不 能 直 接反 应 出火药的能量或燃烧性 能的变化 。基于此 ， 本文 提出了一种适合于大药量的高温实验装置和实验 方法 ， 利用火药内弹道测试装置密闭爆发器对高 温试验前后火药的能量和燃烧性能参数进行测试 对 比分析 ， 可直观地数据化描述火药的耐高温性 能 ， 比如火药的火药力和余容、 燃速、 燃速压力指 数以及压力全 冲量等[ 3 ] ， 特别适用于对油气井用 火药 的研 究开 发与性 能 检测 。 维普资讯 第 4期 成 建龙 、 孙 宪宏 、 乔 晓光 油 气井 用 火药的 耐 高温性 能研 究 3 ． 1火药 耐 高温 实验 方 法 试 验装 置 主要 由胆 体 、 温 度 传 感器 以及 加 热 炉总成构成 ， 为确保试验条件的一致性 ， 装 置采用 密闭结构。每次试验样 品药量可达 到 1 5 0 g 。主 要用来测定火药的耐温指标 ， 高温下火药的性能 变化和老化失效性 等。其结构 系统 示意 图见 图 4 ， 高 温实验 装 置见 图 5 。 图 4 火药耐高温实验装置 系统结构示意 图 1 一加热炉总成 ； 2 一胆 体； 3 一盖体 ； 4 一 药芯温度 传感器 ； 5 一 胆 内温度传感器 ； 6 一火药试样 ； 7 一数字温控仪 图 5高温实验装置 _ 1 I 鲋 ’ 。 。 。 ‘ 。 一 CH1 一CH2 St an d a r d 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 50 t h 温 控 过 程 曲线 图 温控 系统 采 用 可编 程 P I D 控 制 器专 门设 计 ， 可实现温度上升速度控制、 分段加温控制 ， 超长时 间恒温控制等多项功能。温控过程曲线图见图 6 。 3 ． 2密 闭爆发器 火药 性能 参数试 验 方法 密 闭爆发 器是 依据 国军 标 G J B 7 7 0 A一9 7 [ 4 ] 而建立起的一种火药能量及燃烧性能实验 方法 。 用来综合测试和计算火药 的各项燃烧特性 参数 ， 是 指导 火药应 用 技 术研 究 、 新 药开 发 及 性 能 检 测 的一项重要测试手段。系统配备有专用高速数据 采集系统和计算软件， 通过测试 的 p t 曲线进行 参数输入 ， 可以得 到火药 的各种燃烧特性参数。 密 闭爆发 器结 构及 系统示 意 图见 图 7 。 密 闭爆发器 为 一定 容 、 闭气 、 耐 高温 的超 高压 容器 。将火药按照一定 的装 填密度装 填到容器 内， 在容器上安装有高响应的压力传感器 ， 火药点 火 后 ， 就 可 获 得 火 药 燃 烧 过 程 的 燃 气 压 力 变 化 率一时间曲线 p t 曲线 。 通过火药在密闭爆 发器 中燃烧 测得的 p t 曲线 ， 经分析计算就能获得火药能量与燃烧 的各 项性能参数 ， 比如火药力和余容 、 燃烧速度 、 燃速 图 7 火 药密闭爆发器 系统结构示意图 1 一密闭爆发器 总成 ； 2 一压力传 感器 ； 3 一火药试样 ； 4 一容腔 ； 5 一点火药包 ； 6 一点火 电极 5 6 L 图 0 l 5 0 维普资讯 测 井与 射孔 2 0 O 7卑 系数、 压力指数以及压力变化率等。 在火药的耐高温性能研究 中， 用密闭爆发器 实验方法测试 高温试验前后火药 各项指标 的变 化 ， 通过对 比分析就可 以掌握火药在某个温度和 时间条件下的性能变化规律。 3 ． 3 数据分析方法 利用上述研究方法将高温实验前后的火药进 行系统的测试 ， 然后按 下式计算出火药高温实验 前后的各项性能参数 。 ． 1 火药力和余容 ，一 一口 3 一 ㈤ 式中， 厂为火药力 ， k J ／ k g ； 口为余容 ， c m3 ／ k g ； 为与 △ 相对 应的一组经修正 的平均最大压力 ， MP a ； 为与 △ 2相对应的一组经修正 的平均 最大压力 ， MP a ； A 、 △ 。为 密闭爆发器试验 的第 一 、第二个装填密度， ．g ／ c m。 。 2 燃烧速度 、 燃速系数和压力指数 U U1 P 5 7 ／ “ - - l n UI l n UE 6 一 O l n pI l npⅡ l n U -- l n U z一 1 n PI 7 式中， U为燃烧速度， mm／ s ； U。 为燃速系数 ， ram／ MP a s ； 咒为压力指数。 3 压力变化率与压力全冲量 坌 二垒． 8 j 口 r t 2一t l J 一 I ￡ 9 4 应用分析 4 ． 1 1 6 3 C ／ 4 8 h 火药的高温性能测试与分析 图 8为某种固体推进剂高温 1 6 3 ℃／ 4 8 h试验 前和试验后用火药密 闭爆发器测试的 p t曲线 装填密度 o ． 2 g ／ c m。 。从 p t 曲线形态上可以 看出该火药经高温 1 6 3 ℃／ 4 8 h后 ， 其能量和燃烧 性能都发生了显著的变化 。除最大压力有所增大 之外， 燃烧时间也明显减短， 说 明燃速加快。这种 变化会 引起枪 、 弹、 药的匹配性变差 ， 造成枪 内爆 炸与燃烧过程产生异常。特别是在超高温井的施 工 中 ， 如果 射 孔器在 井下停 留时间过 长 ， 点火后 可 能会导致射孔效果变差 、 枪身胀形量增大甚至炸 ； 枪 事故 。 表 1给出了该种固体推进剂在 1 6 3 ℃／ 4 8 h试 验前和试验后 ， 以两种不同装填 密度 O ． 2 g ／ c m。 ， 0 ． 1 5 g ／ c m。 进行密闭爆发器实验 ， 再经数据分析 方法计算所得出的各项性能参数。从表中数据可 以看 出 ， 高温后 该火药 的燃烧 时 间 明显 缩短 ， 压 力 变化率提高， 压力指数增大 ， 同时也可以看 出高温 试验后， 具有能量性质的全冲量有所降低 ， 说明由 于高温试验过程火药的热分解作用使火药能量有 所下降。 i l r 一 一 ～‘ } 卜 一 一 ～一 } ／ I ／ ／ ， 筋罐 ．试啦 ，“ ， ， ／ ／ 、 I ， 6 3 。 ～、 ／ 1 8 h{ h } 珏b { 。 l I j l l i ； f l { } L 一一 一 ‘嘲托。 ’ l { 式中， d p ／ d t 。 为压力变化率 MP a ／ ms ； P 、 P z 为与 时间 ￡ 。 、 ￡ 2 相对应 的压力， MP a ； I 为压力全冲量， 图8 固体推进剂高温 1 6 3 “C ／ 4 8 h前后的密闭爆发器 MP a． s ； 为燃烧结束点， Y n s ； P为压力， MP a 。 p ～ 曲线 表 1 固体推进剂高温 1 6 3 “ C ／ 4 8 h前后性能参数变化对比 装填密度 燃烧时间 压力变化率 压力指数 燃 速系数 U1 全 冲量 序号 试验状态 g ／ c m。 ms MP a ／ ms mm／ s MP a s 1 0 ． 2 0 5 4 ． 83 8 ． 4 4 高温试验前 0 ． 6 4 5 7 1 ． 2 2 8 5 3 ． 2 4 4 2 0 ．1 5 6 6 ． 8 7 5 ． O 2 3 o ． 2 0 4 2 ． 8 6 9 ． 8 7 1 6 3 ℃／ 4 8 h O ． 6 7 8 5 1 ． 5 4 2 1 2 ． 9 6 5 4 0 ． 1 5 5 2 ． 7 5 8 ． 5 6 维普资讯 第 4期 成 建龙 、 孙 宪宏 、 乔 晓光 油气 井用 火药 的耐 高温性 能研 究 6 1 4 ． 2 1 5 0 ℃／ 1 6 0 h火 药 的超 长 时 间高 温 性 能测 试 分析 图 9是另外一种 固体推进剂在 1 5 0 ℃／ 1 6 o h 超长时间高温试验， 并每隔 4 8小时分段取样进行 密闭爆 发器 实 验 所 得 出 的一 组 p t 曲 线 。主 要 用来研究火药在高温环境下性能变化与时间的关 系。从图中各 时段 的 p t曲线 进行分 析， 高温 1 5 0 ℃下 随着 时 间 的延 长 ， 每 个 时 间段 p t曲线 形态都有变化 。火药 的燃烧速度不断加快 ， 燃烧 时间也在不断缩短， 但最大压力 的变化不明显 。 表 2给出了 1 5 0 ℃高温条件下各时间段该种 固体推进剂的性能参数对 比。从表征火药能量性 能的压 力全 冲量 可 以看 出 ， 该 种 火药 在长 时 间 持 续高温作用下能量在不断地降低 ， 证 明火药在高 温长时间作用下具有老化失效的性质。 图 1 O 、 图 1 1 、 图 1 2给出了该种固体推进剂在 高温 1 5 0 ℃下火 药的燃烧 时间 、 压 力变化 率以及 压力全冲量随时间的变化规律。 r l l l ； } l l f { I 1 一 } b一 ⋯ “ 一 f一 i i l ， l ／／ i ， 0 i {一r ] i l ， ； - {i ／ j l _ {一4 ⋯0 皇 0 善 一 一 溢试验前 ～ 攀 群 下 3～ 二 一 L ■ - ⋯ ．． 上 j一 鬻 秭 蕊 黧 。 。 甏 、噩 l 要 荔 誉 i ’ 飘 蠹 目 庭 翟 堰 鼙 图 1 0 1 5 0 ℃时恒温 时间 t 与火药燃 烧时 间的关 系 g 山 ＼ 图 1 1 1 5 0 ℃时恒温时 间与压力变化 率的关系 2 ，8 2 7 2 蔫 2 ， 5 善2 2 ． 3 2 ． 2 2 ． t 2 ．0 4 0 2 4 4 8 7 2 9 6 2 0 4 4 1 6 8 f h 图 9 固体推 进剂 在 1 5 O ℃各 时 间段 的密 闭爆 发器 P 一 图 1 2 1 5 0 ℃时恒温时间与压 力全冲量的关 系 曲 线 表 2 固体推进剂 高温 1 5 0 ℃／ 1 6 0 h各 时间段性 能参数变化对 比 序号 试验状态 装填密度 g ／ c m。 燃烧 时间 ms 压力变化率 MP a ／ ms 全冲量 MP as 1 耐温试验前 0 ． 2 O 3 3 ． 5 O 1 3 ． 9 0 2 ． 6 1 3 2 1 5 0 ℃ ／ 4 8h o ． 2 0 3 0 ． o 1 1 5 ． 7 2 2 ． 4 7 6 3 1 5 0 ℃ ／ 9 6 h 0 ． 2 0 2 6 ． 8 6 1 7 ． 9 2 2 ． 3 2 4 4 1 5 O ℃ ／ 1 4 4 h 0 ． 2 0 2 4 ． 8 3 1 8 ． 2 8 2 ． 2 2 6 5 1 5 0 ℃ ／ 1 6 0h 0 ． 2 0 2 1 ． 0 4 1 9 ． 8 9 2 ． 2 2 3 5 结论 开发油气井用途的高‘ 药具 1 通过对火药高温热分解的机理分析 ， 揭示 2 结合油气井的特殊使用要求 ， 建立 了比较 了高温作用下其性能变化的一般规律。认识和掌 系统的火药耐高温性能测试方法 ， 利用这些方法 维普资讯 测 井与 射孔 2 0 0 7卑 对火药高温试验前后的性能变化进行系统的测试 分析与比较 ， 可以直观地数据化描述火药的耐高 温性 能 。 3 通过对两种 固体推进剂不同高温条件下 的性能变化测试分析 ， 表明 了火药在高温条件下 性能 变化 的规 律性 和复 杂性 。对 于油气 井用火 药 来讲， 这些性能上 的变化有可能对施工作业造成 两方面的负面影响 I． 火药燃速加快， 峰值压力 增高， 影响施工作业的安全性 ； Ⅱ． 火药能量降低 ， 甚至失效， 影响施工作业效果 。 4 在开发 油气 井用 途火 药 时 ， 应注 重对火药 的耐高温性能研究 ， 使火 药能够在高温长时间作 用下， 尽可能保持其物理 、 化学性质不发生显著变 化 ， 具 有 良好 的热安定 性 ， 这样才 能保 证在 施工 作 业 中达 到预期 效果 。 参考 文 献 [ 1 ] 周起槐． 火药物理化学性 能． 北京 ； 国防工业 出版社 ， 1 9 8 3 [ 2 ] 刘继华． 火 药物 理化学性 能． 北 京 ， 北京 理 工大学 出版 社， 1 9 9 7 [ 3 ] 李葆萱． 密闭爆发器在 固体火箭推进剂燃 速测定 中的应 用． 弹箭技术 ，1 9 9 7 [ 4 ] G J B 7 7 O A一9 7 ． 密 闭爆发器试验． 微 分压力法 ， 1 9 9 7 [ 5 ]肖忠 良． 火炸药的安全 与环保技术． 北京 ， 北京理 工大学 出 版社 ， 2 0 0 6 [ 6 ] 张双计． 油气井燃烧爆破技术． 西安 ， 陕西科学 技术 出版社 ， 2 0 0 3 胜 利 测 井 公 司 承 办 中 石 化 测 井 技 术 研 讨 会 圆 满 成 功 2 0 0 7年 1 O月 2 5日， 由胜利测井公司承办为期两天半的中石化测井技术研讨会在青岛疗养院胜利 召开 ， 油田分公司副经理、 总地质师张善文 ， 中石化油田企业经营管理部副主任刘汝山 ， 中石化油田勘探 开发事业部、 财务计划部、 企业经营管理部 ， 以及来自胜利、 中原 、 河南、 江汉等单位测井界的领导 、 专家、 技术人员共计 1 3 0余名代表参加了研讨会。 此次会议是中石化集团公司重组以来规模最大的一次测井技术研讨会 ， 是对集团公 司测井系统技 术与管理工作的一次大检阅 、 大总结。会上共交流经验总结报告 1 4篇、 技术论文 4 2篇 ， 包含了测井技 术与管理的多个方面 ， 涵盖到了测井资料采集与处理、 解释与评价 、 新技术新方法新设备等 ， 涉及到了中 国石化集团各油田和国内海外热点探区的最新测井技术。通过交流 ， 大家分析了各自测井技术的现状 ， 剖析了不同工区测井中存在的技术、 设备和工艺 以及管理机制体制和市场竞争问题 ， 交流了测井技术与 管理方面的成功经验和典型案例 ， 展示了各自的测井技术水平和现状实力。 最后， 代表们 围绕勘探开发工作的节奏不断加快 ， 特别是东部老油田的保产稳产 ， 油 田开发普遍进 入 双高 阶段 ， 老区稳产难度越来越大 ， 川东北、 塔河和鄂北等重点地区勘探不断取得突破 ， 勘探对象向 超深、 高压 、 多压等复杂地层 的迅猛发展， 超深井 、 水平井、 大位移井 、 分支井等复杂结构 井数量越来越 多， 配套技术难度不断加大等问题展开了热烈的讨论 。通过讨论 ， 大家认为， 下一步要继续牢固树立测 井必须紧密地与勘探开发相结合的思想 ， 紧紧围绕勘探开发需求搞好测井技术进步 ； 要加强测井基础理 论研究、 实验室研究和测井资料处理解释研究 ， 增加理论和应用研究深度 ； 要加大资金投入 ， 提升测井装 备整体水平； 要做好引进测井技术和装备的消化、 吸收 ， 处理好引进和自我开发的关 系； 要加强测井技术 支撑体系建立和测井科技人才培训I 、 培养力度， 完善测井科技开发体系 ， 加大学术交流、 努力学习借鉴国 内外同行的测井先进技术和经验 ， 互相取长补短 ， 不断提高中石化测井整体技术水平和综合服务能力， 锻炼、 打造出一支技术精良、 训 I练有素、 能打硬仗的高水平测井人才体系； 要理顺管理方式， 转变思想观 念 ， 切实加强对测井行业的管理。 会上， 还对交流的经验总结报告、 技术论文进行了评 比。胜利测井公司的 低孔渗砂砾岩体储层特 征及测井评价对策 等两篇论文获得一等奖。 。， ● 李吉建 孙培忠 维普资讯