活性粉末药型罩射孔弹穿孔性能试验研究.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001- 8352. 2020. 01. 009 活性粉末药型罩射孔弹穿孔性能试验研究 * 李必红 李哲雨 李尚杰 王 喜 杨翕智 西安物华巨能爆破器材有限责任公司(陕西西安,710061) [摘 要] 为实现射孔弹对目标靶穿孔性能和孔道后效的共同作用,设计了一种高密度活性镍- 铝金属体系药型 罩。 通过改变药型罩配方中钨粉、镍粉和铝粉的质量比,进行了相应地面穿目标靶对比试验,得到最佳效果的活性 金属粉末药型罩配方。 试验结果显示,当活性配方中钨粉、镍粉、铝粉的质量比为70. 06. 613. 4 时,地面钢靶穿 孔孔道容积最大,穿孔效果最佳;地面模拟围压穿砂岩靶的穿孔孔道干净,射流后效作用能力显著。 [关键词] 反应材料;药型罩;镍- 铝金属间化合物;射孔弹;性能 [分类号] TJ410. 3 +33 Penetrating Perance Test of Shaped Charge with Active Powder Liner LI Bihong, LI Zheyu, LI Shangjie, WANG Xi, YANG Xizhi Xi an Wuhua Juneng Blasting Equipment Co. , Ltd.(Shaanxi Xian, 710061) [ABSTRACT] A high density active aluminum- nickel metal system liner was designed to ensure the joint effect of perfo- rating charge on target in perforating performance and its aftermath.The optimized formulation of the active metal powder liner was obtained through a series of ground penetrating target contrast tests by alternating the mass ratio of tungsten pow- der, nickel powder and aluminum powder. The experimental results show that the steel target has the largest volume and the best perforation effect at the mass ratio of tungsten powder, nickel powder and aluminum powder of 70. 06. 613. 4, and simulated confining pressure through sandstone target has the cleanest perforation channel and remarkable jet after effect. [KEYWORDS] reactive material; liner; Ni- Al intermetallic compound; shaped charges; performance 引言 2012 年,美国斯伦贝谢油服公司将铝热剂用于 射孔弹用药型罩配方中 [1] ,通过射流后效,达到增 加岩石微裂纹、降低破裂压力的目的;但由于添加铝 热剂的药型罩密度较低,射孔弹穿孔深度受到限制。 为了在满足后效作用要求的同时兼顾穿深性能,国 内外在高密度含能反应材料(HDRM)制造射孔弹药 型罩方面做了很多工作,文献[2- 7]通过多元金属体 系与黏结剂的配合,使得活性药型罩配方密度达到 10. 0 g/ cm 3,后效和穿孔能力得到很大提高。 典型 的组合有镍- 铝、铝- 钛、铝- 锆等金属体系。 张子敏 等 [8] 使用镍、铝、铜和聚四氟乙烯为主要成分的活 性药型罩,研究了射孔弹活性配方中铜含量对钢靶 开孔效果的影响,但对后效和穿深均未进行描述。 本文中,依据镍- 铝金属间高温、高压条件下化 合放热过程的特点,研究了一种高密度含能药型罩 配方,既可以利用药型罩的高密度优势获得较好的 穿深效果,又可以利用镍- 铝金属间在爆轰作用下反 应释放出的大量热能增加射流后效作用,有效地提 高射孔孔道导流能力,达到油气增产的目的。 1 活性药型罩配方设计 1. 1 活性药型罩用金属粉末材料 高密度活性药型罩配方中使用的金属粉末材料 主要有钨粉、镍粉、铝粉和铜粉。 钨粉、铝粉和镍粉 的形貌和粒度见图1;物理特性见表 1。 1. 2 配方设计 根据陆必志等 [9] 关于镍- 铝金属间化合物合成 机理的研究,镍、铝原子数比为11时,在660. 4 ℃ 附近已经反应完成,生成稳定的镍- 铝金属产物,放 热量最大。 基于上述原理,在配方设计时以镍、铝原 第49 卷 第 1 期 爆 破 器 材 Vol. 49 No. 1 2020 年 2 月 Explosive Materials Feb. 2020 * 收稿日期2019- 10- 12 第一作者李必红(1978 - ),男,硕士,高工,主要从事石油射孔弹和非常规油气井射孔工艺开发。 E- mail forredlove@qq. com 万方数据 (a)钨粉 (b)铝粉 (c)镍粉 图 1 活性药型罩用金属粉末材料 Fig. 1 Metal powder materials used to prepare the reactive liner 表1 活性药型罩用金属粉末的物理特性 Tab. 1 Physical properties of metal powder used to prepare the reactive liner 材料颗粒形貌粒度/ μ m纯度/ % 钨粉块状20 ~ 25噰99墘. 9 铝粉类球形6 ~ 15p99墘. 9 镍粉球形15 ~ 45噰99墘. 5 子数比11 为基础,铜粉的质量分数保持 10%不 变,通过改变配方中钨粉含量,观察活性药型罩的穿 孔性能和射流后效作用能力。 活性金属粉末配方如 表2 所示 表2 活性粉末药型罩原材料配方及性能 Tab. 2 Raw material formulas and performances of active powder liner 配 方 组分 质量比 理论密度/ (g cm - 3) 实际密度/ (g cm - 3) 1 # 2 # 3 # W、Ni、Al 80帋. 03. 36. 7 70. 06. 613. 4 60. 09. 920. 1 13t. 819 11. 503 10. 310 12�. 713 10. 353 9. 382 表 2 中,3 种配方通过三维运动混合机进行混 制,利用金属粉末旋压成型技术完成药型罩的压制 成型,见图 2。 从图2 可以看出,随着钨粉含量逐渐 减少,药型罩颜色由暗黑变成暗红,药型罩整体成型 性和可压制性良好,未出现混合不均匀的现象,药型 罩整体密度分布较为均匀,降低了药型罩几何结构 对试验过程中射流作用稳定性的影响。 2 试验部分 2. 1 射孔弹选择 选用114型DP45RDX38- 2型射孔弹(由西安物 华巨能爆破器材有限责任公司生产),配活性金属 图 2 活性金属粉末药型罩 Fig. 2 Active metal powder liner 粉末药型罩。 药型罩开口直径45 mm,装药量 38 g, 主装药为 RDX 常温炸药。 2. 2 地面模拟装枪穿钢靶试验 测试用目标靶为 45 # 均质钢靶,使用地面模拟 装枪穿钢靶试验来测试活性金属粉末药型罩射孔弹 的静破甲穿孔性能,能直观表达 3 种活性配方的穿 孔深度情况,试验装配示意图见图 3。 穿深和孔道 容积测量结果见表3。 从表3 中可以得知,钢靶穿孔深度从大到小的 配方顺序为活性配方 1 #、活性配方 2#、活性配方 3 #;模拟套管孔径从大到小的配方顺序为活性配方 2 #、活性配方 3#、活性配方 1#。 这是由于活性配方 1 #中钨粉质量分数达到 80%,活性药型罩密度较 高,射流头部速度高,射流形成较稳定的速度梯度, 导致模拟套管穿孔孔径较小,穿深效果突出,表现出 超深穿透的特点,未能起到扩孔的作用。活性配方 2 # 较活性配方3 #钨粉的质量分数高10%,活性配方 64 爆 破 器 材 第 49 卷第 1 期 万方数据 1 - 导爆索;2 - 电雷管;3 - 射孔弹;4 - 模拟枪内炸高环; 5 - 模拟枪身盲孔厚度;6 - 清水;7 - 模拟枪外炸高环; 8 - 模拟套管;9 - 钢靶。 图 3 地面穿钢靶试验装配示意图 Fig. 3 Schematic diagrams of penetrating steel target on ground 表 3 地面模拟装枪穿钢靶试验结果 Tab. 3 Test result of penetrating steel target of ground charging simulation 序号 穿深/ mm 模拟套管孔径/ mm 射流孔道容积/ mL 配方1 # 300 . 0 285. 0 295. 0 10 . 1 10. 6 11. 2 11. 3 10. 9 11. 5 11墘. 7 11. 0 11. 3 配方2 # 279 . 0 260. 0 263. 0 13 . 5 14. 7 14. 2 14. 4 13. 6 13. 8 15墘. 0 14. 5 14. 6 配方3 # 224 . 0 240. 0 213. 0 12 . 3 13. 2 13. 6 13. 8 13. 1 14. 7 7r. 6 8. 3 7. 0 2 #穿深较活性配方 3#提高18. 3%,两种活性配方的 模拟套管孔径相差较小;活性配方 2 #表现出更好的 穿孔和扩孔效果。 但地面模拟装枪穿钢靶不能直观 反映活性药型罩的后效作用,因此,提出了地面模拟 地层围压条件下穿砂岩的试验方法。 2. 3 地面模拟地层围压条件下穿砂岩靶试验 地面模拟地层围压条件下穿砂岩靶试验中,首 选高强度的致密砂岩作为目标靶,其抗压强度 UCS (unconfined comressive strength)大于 80 MPa。 设定 模拟井筒压力30 MPa、模拟地层围压 45 MPa 条件, 进行模拟装枪性能测试,分析活性药型罩射流的穿 孔和后效。 测试装置结构示意图见图 4。 选用的目 标靶部分参数见表4。 目标靶射流孔道效果图见图 5。 对 3 种活性配 方的测试结果见表5。 由表5可知,砂岩靶穿深从大到小的配方顺序 为活性配方1 #、活性配方2#、活性配方 3#;模拟套 管孔径从大到小的配方顺序为活性配方2 #、活性 配方3 #、活性配方1#。这与地面穿钢靶的测试结果 一致,说明活性配方中钨粉含量对穿孔性能的影响 较大,钨粉含量越多,穿深越高,这与射流穿深的半 1 - 导爆索;2 - 雷管;3,6 - 电压打压泵; 4 - 枪头;5 - 连接头;7 - 罐体;8 - 砂岩靶;9 - 底座。 图 4 测试装置结构示意图 Fig. 4 Structure diagram of test device 表4 砂岩靶部分性能参数 Tab. 4 Performance parameters of sandstone target 参数 孔隙度/ % 密度/ (g cm - 3) 抗压强度/ MPa 测量值11�. 3 ~ 12. 42. 30 ~ 2. 35101 . 2 ~ 112. 8 平均值11|. 82�. 33107. 6 (a)活性配方1 # (b) 活性配方 2# (c) 活性配方 3# 图 5 射流孔道后效效果图 Fig. 5 Effect chart of jet channel 742020 年2 月 活性粉末药型罩射孔弹穿孔性能试验研究 李必红,等 万方数据 表5 地面模拟地层围压穿砂岩靶试验结果 Tab. 5 Test results of penetrating sandstone target simulation on ground 配方穿深/ mm模拟套管孔径/ mm射流孔道后效效果 1 # 330 10]. 4 10. 9有白色压实带,孔道有杵体残留 2 # 300 13]. 2 13. 7无压实带,孔道干净,射流尾部有二次反应痕迹 3 # 255 12]. 8 13. 3无压实带,孔道内有金属熔渣残留物 经验计算公式是一致的。 活性配方中,铝粉和镍粉 属于低密度金属粉末,随着镍- 铝含量的增加,药型 罩密度降低,射流头部速度和射流拉伸速率降低,改 变了射流的形态,导致射流孔道变粗、模拟套管孔径 变大,改善了孔道导流能力,可以有效地降低压裂施 工压力。 由图5 可知,活性配方 1 #药型罩由于配方中钨 粉含量较多,在砂岩靶射流孔道中残留少量钨粉熔 融杵体,导致堵塞孔道,同时孔道周围有明显的白色 压实带,压实带厚度为 5 ~ 10 mm,不利于后期增产 压裂作业,活性配方 1 #药型罩的后效较差。 活性配 方3 #药型罩由于镍- 铝含量最多,镍- 铝金属间化合 反应后产生的熔融物不参与射流的开坑作用,大量 附着在孔道内壁,影响了压裂液的入流面积和速率; 但从活性配方 3 #效果图中可以看到,射流孔道周围 未见明显压裂带,射流末端孔道有大量微裂纹,有明 显的镍- 铝金属间反应的后效作用。 活性配方 2 # 药 型罩射流孔道收缩率降低,射流孔道容积增大,提高 了储层岩石的吸液能力,有利于压裂施工时提高排 量;砂岩靶沿孔道末端存在明显二次反应产生的扇 形后效作用,射流孔道壁产生破碎带,存在大量微裂 纹。 导致上述现象的主要原因是镍- 铝金属间作用 后产生强烈的放热反应,热量释放瞬间将孔道理想 化成定容环境,释放的能量使孔道附近压力瞬间增 加,对射流孔道进行了预压裂,在孔道壁上形成了大 量的初始横向微裂纹,同时大量的热量产生向孔道 内的涌流,将碎屑从整个孔道内清除,最终达到孔道 干净、改善裂缝导流能力的目的。 3 结论 1)镍- 铝金属间化合反应放出的大量热量使射 流在目标靶上有一定的后效作用。 2)活性配方 2 # 药型罩在目标靶产生的孔径最 大、射流形态最好、穿深适中、射流后效最佳。 3)为保证活性药型罩的高密度,活性配方中铝 的质量分数不应超过10%。 参 考 文 献 [1] HUANG H, GROVE B M, KNEISL P. 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