NLG型桥塞火药的耐热性和燃烧稳定性研究.pdf

4 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第3 9 卷第2 期 N L G 型桥塞火药的耐热性和燃烧稳定性研究’ 王亚①郑文芳⑦陈宇潘仁明⑦ ①中国爆破器材行业协会 北京，1 0 0 0 8 9 ②南京理工大学 江苏南京，2 1 0 0 9 4 ③航天科技川南机械厂 四川泸州，6 4 6 0 0 3 [ 摘要]采用D T A 、T G A 、定容燃烧试验和电缆桥塞地面试验等方法，研究了N L G 型桥塞火药的耐热性及其常、 高温燃烧稳定性。结果表明N L G 型桥塞火药的耐热温度在2 5 0 。C 以上；1 2 0 ℃高温定容燃烧时，N L G 型桥塞装药的 燃气生成速率在2 8 ．0 M P a 压力以上时快于常温，燃烧稳定；在电缆桥塞坐封工具中变容燃烧时，N L C 型桥塞装药燃 烧稳定，压力上升曲线与常温时基本一致，最大压力平均值比常温高出2 ．5 M P a 。 【关键词] 桥塞火药耐热燃烧稳定性装药 [ 分类号] T J 5 5T Q 5 6 2 l 引言 电缆桥塞是现代油气田开发过程中不可缺少的 井下封堵工具，因电缆桥塞封堵作业具有准确、快 捷、灵活、可靠、方便、费用低等特点，正逐步在替代 打水泥塞、油管输送式桥塞等封堵作业，电缆桥塞也 因之成为当前油气勘探、开采时井下封堵的首选工 具L 1 ．2 1 。电缆桥塞采用电缆输送，桥塞在井下到位 后，接通地面电源；通过地面电缆输电，点燃桥塞坐 封工具内的桥塞火药装药；火药燃烧，产生的高压气 体迫使桥塞坐封并丢手。目前我国各大油气田仍然 主要使用美国B a k e r 和G e a r h a r t 公司的电缆桥塞坐 封工具，与工具配套的耐热桥塞火药都是国外公司 自己配套的产品⋯。为了减小我国对国外产品的 依赖，改变目前油气田电缆坐封工具和技术被国外 公司垄断的局面，南京理工大学含能材料研究所与 航天6 9 2 厂开展了桥塞坐封工具用耐热火药的研 制，并开发了N L G 型桥塞火药，目前已在多个油气 井应用，使用效果良好【3 ．4 】。 作为一种油气井用火药，N L G 型桥塞火药首先 需要适应井下可能出现的高温环境，即应具有优异 的耐热性能，同时还应满足高温下能保持燃烧稳定。 为此，本文以N L G 型桥塞耐热火药为研究对象，采 用D T A 和T G A 热分析、定容燃烧试验和电缆桥塞 地面高温试验等方法，研究了N L G 型桥塞火药的热 分解特性以及高温燃烧特点。 2 实验 2 ．1 试验样品 试验样品N L G 型桥塞火药。 2 ．2 仪器与实验条件 热分析差热分析 D T A 和热失重分析 T G A 分别采用S h i m a d z uD T A - 5 0 差热分析仪和S h i m a d z u T G A - 5 0 热失重分析仪进行分析。分析条件升温速 率2 0K ／r a i n ；温度范围为5 0 一7 0 0 ℃；工作气氛为氮 气，流速2 0m L ／n d n o 定容燃烧试验密闭爆发器燃烧室容积为5 0 c m 3 ，装填密度0 ．1 4g ／c m 3 ，按照G J B 7 7 0 A - 9 7 7 0 3 密 闭爆发器实验方法进行试验。 桥塞坐封高温实物燃烧试验电缆桥塞坐封工 具为Q z - l 型；装药量1 8 0 9 ，以装药密度1 ．5g ／c m 3 装填于药筒进行高温实物燃烧。 高温试验温度定容燃烧试验和电缆桥塞地面 试验时，以电缆桥塞的使用温度要求1 2 0 ℃作为高 温试验温度阻’5 ’6 ’7 】，并将装药在该温度下保温4 h ，然 后进行试验。 3 结果与讨论 3 ．1 热分析结果与讨论 N L G 桥塞火药的D T A 和T G A 的测试结果如图 l 所示。由图l 的D T A 曲线可以看到，该火药在温 度不超过3 0 0 。C 的升温过程中，其D T A 曲线未见明 显的热效应；曲线在3 0 7 ℃处可看到一较为明显的 吸热峰，这是由于高氯酸钾转晶吸热所引起的；当温 度升高至约4 7 4 。C 时，D T A 曲线上开始出现一明显 的放热峰，说明药剂4 7 4 ℃后发生了快速的放热化 学反应；当温度升至4 9 1 ℃时，达到放热最高峰。 收稿日期2 0 0 9 ．1 1 - 0 2 作者简介王亚 1 9 7 9 一 ，女，硕士。工程师，从事含能材料和民爆器材相关研究。 通讯联系人潘仁明 1 9 6 3 一 ，男，博士，研究员，从事含能材料与消防技术研究。E - m a l l p m u ∞m i n g s o h u ．e o m 万方数据 2 0 1 0 年4 月N L G 型桥塞火药的耐热性和燃烧稳定性研究王亚等 5 图1N I L ；桥塞火药的D T A 和T G A 热分解曲线 由T G A 曲线可以看出，在温度不超过2 5 0 ℃的 升温过程中，该火药未见明显的热失重现象；约从 2 5 0 “ 1 2 开始，在2 5 0 3 8 0 ℃的升温区间内，曲线呈下 降趋势，说明药剂开始出现失重，但曲线变化较为缓 和，说明这种失重速率较慢。这可能是部分易挥发 小分子物质受热气化所引起的，因含量较小．因此并 未在D T A 曲线上反映出来。此后，随着温度的升 高，约在4 7 0 5 4 0 ℃范围内，热失重曲线下降迅速， 说明发生了强烈的分解和燃烧，其生成物主要为气 态物质。 结合D T A 和T G A 热分析，N L G 桥塞火药在温 度不超过2 5 0 ℃时，没有明显的热分解反应发生，说 明该火药的热分解温度高于2 5 0 ℃。石油天然气行 业标准S Y ／T5 3 5 2 - 2 0 0 7 规定，火药推进式桥塞坐封 工具的工作温度不高于2 0 0 ℃哺J ，因此N L G 桥塞火 药能够满足火药推进式桥塞坐封工具的耐热环境。 3 ．2 N L G 桥塞火药的定容燃烧稳定性 由热分析结果可知，N L G 型桥塞火药的耐热性 能已达到油气井温度要求，但作为桥塞坐封工具的 动力源，仅仅耐热性能达到要求还不够，还需在油气 井可能的高温环境下，桥塞火药能够稳定、可靠地燃 烧。为此将N L G 桥塞火药进行高温、常温定容燃烧 对比试验，研究N L G 桥塞火药的高温燃烧稳定性。 试验结果如图2 、图3 所示，其中P 为压力，t 为火药 燃烧时间。图3 是由图2 的P - t 曲线经变换所得的 a p ／a t - t 曲线。 由图2 可知，在燃烧初始阶段，样品在高温与常 温条件下燃烧的P t 曲线重合，说明该火药在这两 种状态下的燃气生成速率基本一致；但当燃气压力 上升至2 8 ．0 M P a 以上时，高温与常温条件的P ．t 曲 线出现了差异，高温条件下，火药装药产气速率要 快。从曲线还可以看出，常温时最高压力为6 6 ．8 M P a ，高温时为7 2 ．O M P a ，二者相差5 ．2 M P a ，因此 在应用过程中，需考虑桥塞火药燃烧时的初始温度 山 至 导I 弓 图2 高温、常温定容燃烧试验对比 压力- 时间 P t 曲线 图3 高温、常温定容燃烧试验 却／d t ．t 曲线 坐封带来的影响，以免坐封过程压力过大，引发坐封 事故。 由图3 可以看出，常温状态下该火药燃烧的 ／d t 值达到最大值之前 该最大值点与P t 曲线分 歧点一致，对应压力为2 8 ．0 M P a ，两条曲线重合得 较好，基本一致。但高温条件下，d p ／d t 最大值高于 常温。说明了在相对低压状态 2 8 ．0M P a 以下时 下，两种条件下N L G 桥塞装药燃烧的产气速率基本 一致，而在较高压力下，高温状态下的产气速率比常 温要快。 从图2 还可以看出，曲线光滑，没有异常突升或 突降等现象，虽然N L G 桥塞火药初始温度不同，最 大压力有差异，但燃烧在定容条件下保持稳定。 3 ．3 桥塞火药在电缆桥塞坐封工具中的燃烧稳定 性． 。．． 在电缆桥塞坐封工具中的燃烧试验能够真实地 反映实际使用时该药燃烧行为，由此可判断N L G 桥 塞火药的工程应用价值。M ￡桥塞火药在桥塞坐 封工具中燃烧是一个变容燃烧过程。在高温与常温 条件下的桥塞坐封地面试验结果如图4 和表l 所 示。由图4 可看出，高温与常温条件下，实验所得的 P ．t 曲线在压力上升阶段基本一致。由表l 可知，高 温与常温实验的最高压力平均值相差2 ．5 M P a 。但 胁为∞卯∞∞∞m O ∞ 万方数据 6 爆破器材E x p l o e i v eM a t e r i a l s 第3 9 卷第2 期 是，在压力下降阶段，高温与常温条件下的P 一￡曲线 差异较大，高温时的曲线下降趋势较常温情况缓慢。 此外，在高温、常温实验时在压力下降过程中都出现 一个较为明显的拐点，拐点出现时间基本一致，但是 两个拐点处的压力值相差较大，如表1 所示，高温条 件下试验的拐点压力比常温时的高1 9 ．2 M P a 。 图4 高温、常温桥塞坐封工具实验曲线对比 表l高温、常温桥塞坐封工具试验结果对比 从电缆桥塞地面试验结果来看，虽然在定容燃 烧时，高温状态下N L G 桥塞火药的燃气生成速率比 常温时快，并且其最高压力值也比常温的高出5 ．2 M P a ，但从高温、常温桥塞坐封工具试验结果来看， 这并未对桥塞火药在桥塞坐封过程的燃烧有显著的 影响，高温、常温试验P t 曲线的压力上升趋势基本 一致，并且高温时的坐封最高压力值仅比常温时的 增加2 ．5M P s 。只是在压力下降阶段，即压力最大 值之后，高温试验的压力曲线下降比常温试验的缓 慢，并且高温条件下试验的拐点压力比常温时的高 1 9 ．2M P a ，但这并不会对坐封过程带来不利的影 响，反而是提高了后期压力，有利于释放环的拉断， 保证坐封工具的顺利回收。因此，可认为N L G 桥塞 火药在桥塞坐封工具中的动态燃烧稳定性较好，不 会因为药剂温度的提高而使最大压力值增高，同时 也不会出现异常燃烧。 4 结论 1 在温度不超过2 5 0 。C 时，N L G 桥塞火药没有 发生热分解，说明N L G 桥塞火药耐热温度高于 2 5 0 0 C 。 2 N L G 桥塞火药在高温与常温状态下的定容 燃烧特性有一定差异。燃气压力低于2 8 ．0M p a 时， 高温与常温状态下燃气生成速率基本一致，而高于 此压力，高温状态下桥塞火药的燃气生成速率比常 温时的快，但燃烧平稳。 3 N L G 桥塞火药在电缆桥塞坐封工具中变容 燃烧时，在高温、常温条件下压力变化都平稳，变化 趋势一致。 参考文献 谭玉春．电缆桥塞技术在川西油气田开发中的应用 [ J ] ．天然气工业，2 0 0 2 ，2 2 3 7 4 7 5 ． 张恩伦，刘化国，杨玉生．桥塞封层工艺技术的发展 [ J ] ．石油机械，2 0 0 1 ，2 9 1 0 4 7 5 0 ． 王亚．新型耐热复合火药的配方、工艺及性能研究 [ D ] ．南京南京理工大学，2 0 0 7 ． 郑文芳．油井耐热火药及其装药技术研究[ D ] ．南京 南京理工大学，2 0 0 6 ． 张少程．桥塞作业失误原因分析[ J ] ．地球物理测井， 1 9 9 5 。4 4 6 4 6 5 ． 刘化国，杨玉生，车登先．电缆式坐封工具及可钻式桥 塞[ J ] ．石油机械，1 9 9 4 ，2 2 1 1 5 3 - 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