缓燃型NLG桥塞火药的性能研究(1).pdf

爆破器材E xp 】晶i v e M a t e d 础s 第4 1 卷第6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．姗．1 0 0 1 暑} 5 2 ．2 0 1 2 ．0 6 ．仰4 缓燃型N L G 桥塞火药的性能研究‘ 谈玲华∞刘传新。郭长平 潘仁明⑦ D 南京工程学院材料工程学院 江苏南京，2 1 1 1 6 7 蓼南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 ③北方特种能源集团有限公司 陕西西安，7 1 0 0 6 1 [ 摘要] 采用常压燃烧实验、热分析实验以及桥塞工具地面实验等方法，研究了新型N L G 缓燃桥塞火药的常压 燃烧性能、热分解特性及其在桥塞工具中的燃烧性能。结果表明缓燃型N L G 桥塞火药具有燃速低、燃烧残渣粘附 性低的特性；通过调节桥塞火药配方中粘合剂含量、氧化剂粒度和降温剂含量等可改善其燃烧性能；缓燃型N L c 桥 塞火药在桥塞工具中燃烧稳定，能可靠完成坐封工作，具有很好的应用前景。 [ 关键词] 桥塞火药性能燃烧速率残渣粘附性 [ 分类号] 1 ∞5T Q 5 6 2 引言 电缆桥塞坐封技术是一种油气田用新型封隔技 术。与传统封隔技术相比，该技术具有施工快捷、可 靠、经济等显著优点，已成为现代油气田开发过程中 广泛应用的一种井下封堵技术。电缆桥塞坐封技术 依靠桥塞工具内的桥塞火药燃烧，产生高温、高压气 体，迫使工具完成桥塞坐封、丢手等一系列动作”“。 作为整个系统的动力源，桥塞火药是坐封动作 完成的关键。目前，针对桥塞火药，国外公司如美国 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及其配 套的桥塞火药产品占据了市场主要份额”“。南京 理工大学含能材料研究所曾开发出N L G 型桥塞火 药，以替代进口产品”1 一；但该产品存在的明显缺点 燃烧速度快、且生成粘附性强的残渣。其中燃烧速 度快，易导致桥塞工具坐封时间过短，并使桥塞的坐 封过程系列动作难以在瞬间完成，造成坐封事故；同 时，也会使桥塞工具燃烧室压力上升过快，冲击并损 坏桥塞工具本体”4 ’6 0 。而粘附性残渣的生成，致使 桥塞工具难以清洗，严重影响桥塞工具系统的重复 使用，提高了该产品的工程应用成本。此外，该桥塞 火药在降低其燃烧速度且达到燃烧残渣低粘附性的 条件下，其工作压力难以达到桥塞工具的使用要求。 为此，亟需研制出燃速低、且燃烧残渣粘附性低的缓 燃型桥塞火药，以减小对国外产品的依赖，打破国外 公司的垄断。 本文以N L G 型桥塞火药为基础，制备了缓燃型 桥塞火药，并采用常压燃烧实验、热分析实验以及桥 塞工具地面实验等方法，对其性能进行了研究。 I ， l 实验部分 1 ．1 实验样品 经理论计算和配方优化，并结合推进剂制备工 艺，确定桥塞火药配方 质量分数 为粘合剂体系 包含粘合剂、增塑剂、固化剂 ，1 5 ％；S r N 0 ， ， 8 3 ％；降温剂，2 ％。以该配方为基础配方，为研究粘 合剂含量对燃烧性能的影响，调节粘合剂百分含量 在1 0 ％一2 5 ％之间、设计了如表l 所示的系列配 方；为研究氧化剂粒度对燃烧性能的影响，调节氧化 剂粒度分别为6 0 8 0 目、1 0 0 一1 2 0 目、1 6 0 1 8 0 目、2 0 0 ～2 5 0 目；为研究降温剂对燃烧性能的影响， 一在基础配方上，外加降温剂的含量分别为O 、2 ％、 亏％，、8 ％、1 0 ％，构成系列配方。 。 表l 调节粘合剂含量的系列配方 按照设计的配方投料，经捏合、浇注、固化等工 序，可获得缓燃型桥塞火药实验样品。 1 ．2 仪器与实验条件 常压燃烧实验将样品制成长1 5 0m m 的药条， 常压下点火并用数码摄像仪拍摄燃烧过程，经图像 处理得到线燃速。 热分析差热分析 D T A 采用N E 他s c HD T A } 牧稿日期2 毗2 - 0 s 0 2 作者简介谈玲华 1 9 7 3 一 。女。博士研冤生，讲师．主要从事高分子柑辩制备及性能研究。E - 瑚n u m i n 曲u a Ⅲm 鲥u _ 佣 万方数据 2 0 1 2 年1 2 月缓燃型N L c 桥塞火药的性能研究谈玲华等 4 0 4P c 差热分析仪进行分析。分析条件升温速率 2 0K ／m i n ；温度范围为5 0 一8 0 0 ℃；工作气氛为氮 气，流速2 0m L ／m i n 。 桥塞坐封实验电缆桥塞坐封工具为Q z l 型；装药量5 0 0g ，浇注于药筒进行桥塞坐封实验。 2 结果与讨论 2 ．1 缓燃型桥塞火药燃烧性能研究 2 ．1 ．1 粘合剂含量对燃烧速度的影晌 粘合剂含量对桥塞火药燃烧性能影响的实验结 果如图1 所示。由图l 可以看出，随着桥塞火药配 方中粘合剂含量的增加，桥塞火药的燃烧速率逐渐 降低。究其原因。主要是因为配方中粘合剂含量增 如，相应的氧化剂含量降低，使得配方中氧化基团摩 尔分数降低，燃烧过程中放出的热量也减少，导致燃 速下降‘7 圳。 图 粘合剂含量与桥塞火药燃烧速率关系 2 ．1 ．2 氧化剂粒度对燃烧速度的影响 氧化剂粒度与桥塞火药燃烧速度关系的实验结 果如图2 所示。从图2 可以看出，随着氧化剂平均 粒径的降低，桥塞火药的燃烧速率则逐渐增加。这 是由于在氧化剂含量不变的情况下，氧化剂平均粒 径减小，其比表面积增加，提高了反应粒子之间的碰 撞几率H 。“，火药的凝聚相热分解反应速度相应增 加。最终导致火药表观燃速的提高。 暑 l 蔫 裂 嚣 图2 氧化剂粒度与桥塞火药燃烧速率关系 2 ．1 ．3 降温剂对燃烧速度的影响 为减少桥塞火药对桥塞工具的烧蚀，在桥塞火 药配方中添加一定量的降温剂。降温剂含量与燃速 关系的实验结果如图3 所示。由图3 可以看出，随 着降温剂含量的提高，该配方药剂的燃速逐渐减低， 当加入草酸铵含量达到8 ％时，药剂已无法正常燃 烧。 降温剂等慷／％ 图3 降温剂与桥塞火药燃烧速率关系 在相同实验条件下，N L G 桥塞火药的燃烧速率 为2 ．5 1 m m ／s ；而综合上述研究结果，缓燃型桥塞火 药的燃烧速率最高值仅为O ．2 3m r n ／s 氧化剂粒度 为2 0 0 一2 5 0 目时样品的燃烧速率 ；N L G 桥塞火药 燃烧速率是缓燃型桥塞火药的t O ．9 倍；可见缓燃型 桥塞火药的燃烧速率显著降低。同时，随着配方中 粘合剂含量的增加、氧化剂平均粒径的增大以及降 温剂含量的提高，缓燃型桥塞火药的燃烧速率逐渐 降低。因此，可采用改变桥塞火药配方中的粘合剂 含量、氧化剂粒度和降温剂含量等方式来调节桥塞 火药的燃烧性能，“满足桥塞工具的要求。 2 ．2 缓燃型桥塞火药热分解特性 基础配方桥塞火药的D T A 热分解实验结果如 图4 所示。从图4 可以看出，从开始升温至3 0 0 ℃ 区间．未见明显的吸、放热峰，说明该过程桥塞火药 稳定，未受热分解；从3 2 8 ．2 ℃开始，D 7 r A 曲线出现 一个较平缓的放热峰，峰温分别为3 6 4 ．2 ℃，表明桥 塞火药在温度高于3 2 8 ．2 。c ，已开始受热分解；随着 温度的进一步升高，D T A 曲线上从4 2 7 ．1 ℃开始，出 现了第二个放热峰，峰温为4 8 6 ．3 0 C 。此后，随着温 度的升高，D T A 曲线表现为吸热过程，说明该桥塞 火药的受热分解过程基本结束。因此，从桥塞火药 图4 新型桥塞火药D T A 热分解曲线 蓄￡，婷黄避 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e n a l s第4 l 卷第6 期 的热分解过程可看出，其分解温度超过3 0 0 ℃．具有 较好的耐热性能。根据石油天然气行业标准s Y ／ T 5 3 5 2 2 2 0 0 7 ，火药推进式桥塞坐封工具的工作温 度不高于2 0 0 ℃”“，表明该缓燃型桥塞火药可满足 桥塞工具的使用耐热环境要求。 2 ．3 缓燃型桥塞火药在桥塞工具中地面实验 通过桥塞工具中的桥塞火药燃烧实验．能直接 体现该火药的实际使用时燃烧行为，并可藉此对桥 塞火药的工程应用价值进行评估。新型桥塞火药在 桥塞工具中的燃烧实验所得压力一时间曲线如图5 所示。 图5 桥塞火药在桥塞工具中燃烧的 压力一时间曲线 由图5 可以看出，该曲线较为平缓，压力上升时 间长．达到5 2 ．2s ，在曲线上出现双峰，出现时间分 别为4 7 ．4s 、5 2 ．2s 。结合桥塞工具的工作过程可 知，曲线出现第一个峰之前的压力上升段属于桥塞 火药经点火后，随着火药的燃烧，压力逐渐上升，桥 塞工具逐渐打开，并开始坐封的过程；这在压力曲线 上表现为出现第一个峰的压力上升段；并在启动后 4 7 ．4s 时，桥塞工具完成坐封、丢手等动作；此时，因 丢手动作完成，桥塞工具内活塞运动阻力消失，活塞 迅速运动至最大位移，使燃烧室空间增至最大．压力 下降；随后，设计的余量装药继续燃烧。燃烧室压力 又逐渐上升，至5 2 ．2s 时达到最大压力6 7 ．1M P a ， 即为曲线上第二个峰，此时桥塞火药燃尽，整个坐封 过程完成。 实验后，桥塞工具燃烧室内有一定量残留物，经 擦拭即可除去。N L G 型桥塞火药与缓燃型桥塞火 药的燃烧残渣实物见图6 。 由图6 看出，缓燃型桥塞火药燃烧后未见明显 粘附性残渣，达到了燃烧残渣低粘附性的目的。同 时系统动作完成时间长，压力曲线平缓，说明缓燃型 桥塞火药燃烧速率低、燃烧稳定。从实验过程来看， 整个坐封过程中桥塞工具系统运行稳定，很好地完 成了桥塞的打开、坐封、丢手等系列动作。因此，缓 燃型桥塞火药在满足桥塞工具的使用要求的前提 L DJ 8 原药残渣； b 新药残渣 图6 原桥塞火药与缓燃型桥塞火药燃烧残渣对比 下，实现了缓燃、低粘附性燃烧残渣特性的设计目 标。 3 结论 1 通过调节缓燃型桥塞火药配方中粘合剂含 量、氧化剂粒度和降温剂含量，可改善桥塞火药的燃 烧性能，以满足桥塞工具的要求。 2 缓燃型桥塞火药燃烧速率低，燃烧稳定，可 降低火药燃烧对桥塞工具的冲击和烧蚀作用；同时 该火药燃烧残渣粘附性低，便于桥塞工具的清洗，其 综合性能满足桥塞工具的要求，具有很好的工程应 用前景。 参考文献 [ 1 ]s t r a 百o t t is ，A n d e r s e no ．．K a r l s e noM i u i “go fP e r m 柚e n tB d d g eP l “gP e 血珊e dS u c c e s s 汕yo nW i r e l i n 。 [ J ] s P EP r o d u c t i o na 『l dO p e m Ⅱo n s ，2 0 1 0 ，2 5 3 2 5 5 - 2 6 1 [ 2 ] L jD i 衄x i n ，z h a oH o n d i n ，L i ux ia | I l o “g ，e ta 1 ．D e s 研 0 fY 4 2 2R e t e v a b l eF m c t u r eB 打d g eP l ”ga n dA n a l y s i so f s l i pc h a 哪c t e d s ‘i c s [ J ] ．A d v a n c e dM a t e d a l sR e s e d r c I l ， 2 0 1 0 ．1 3 9 1 4 l l O “- 1 0 6 7 ． [ 3 ]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 ． [ 4 ] 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 j O [ 5 ]王亚，郑文芳，陈宇，等N L G 型桥塞火药的耐热性 万方数据 2 0 1 2 年1 2 月， 缓燃型N L G 桥塞火豸的性能研究谈玲华等 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 和燃烧稳定性研究[ J ] ．爆破器材，2 叭1 ．3 9 2 4 _ 6 ． 张虎，何祖清，周墨，等桥塞工具用复合火药研究 [ J ] 火工品，2 0 1 l 5 1 8 - 2 0 ． 王伯羲，冯增国，杨荣杰．火药燃烧理论[ M ] ．北京 北京理工大学出版社，1 9 9 7 ． N 蛐i n o s u k eK u b o t a ．P r o P e l l 曲姐dE 1 P l 啁i 诂s [ M ] ． W e i n h e i m W Ⅱ正Y - V C HV e d a gG m b H ＆C o ．K G a A ． 2 0 0 7 ． M i nB ，H y L l nH ．S t u d yo nC 0 m b u 8 t i o nC h a r a c t e d s t i c so f H T P B ／A PP r o p e u a n t sc o m a i n i “gz i r c o n i 啪[ J ] J o u m a l o fP r o p u l s i o n ∞dP 0 №r ，2 0 1 2 ，2 8 1 2 1 l 一2 1 3 ． [ 1 0 ] R a s h k o v s k 订s ．AE 髓c Io ft h ec I Ⅱv a t u r eo f l h eB u m i n E S u 出c eo fC o n d e n s e dE n e 鞲e t i cM a t e 五d so nt h eB u m i n g R a t e [ J ] ．c o m b u s t i o nE 1 p 1 0 s i o na n ds h o c kw a v e s ， 2 0 1 1 ，4 7 6 6 8 7 ．6 9 6 ． [ 1 1 ] 陈舒林，李风生．火药设计与制造[ M ] ．北京兵器 工业出版社，1 9 8 7 ． [ 1 2 ] 新疆石油管理局导油工艺研究院、承德江金台石油 、机械有限公司s Y ／T 5 3 5 2 _ 2 0 0 7 丢手可钻封隔器、桥 塞及坐封工具[ s ] ．北京石油工业出版社，2 0 0 8 S t u d yo nt h eP m p e r n e so fS l o w ．b u r I l i n gN L GB r i d g e - p l u gP r o p e U a n t T A Nu n g h u 产，u uc h u a 商n 。．G u oc h a 唧i n 产．P A NR e n m j “g 口 ①D e p a n m en lo f M a t e d a lE n 矛n e e d n g ，N 跚j 她I n s t m eo f ‰h n o l o g y J i a n g s “N 叫i “g ，2 1 1 1 6 7 ②s c h 砌o fc h e m i c a lE 岬q 。e d “g ，N 删i “gu I I i v e 璐畸o fs c i e n c ea n d ‰h n o l o g y J i a “挚uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 ③N o 汕S p e c mE n 8 r g yc r o u pc o ．，L t d s h a 锄x jx i ’a n ，7 1 0 0 6 1 [ A B s T R A c T ] 1 1 I eb u 玎i “gb e h a v i o r ，t h e 珊a ld e c o m p 循j d o n 蛐dc o m b u s t j o nc h a m c t e d 8 t i c 8 埘l h i nt l l eb d d g e P l “g3 y 3 t c m o fa n e wb d d g c - P l “gp 。0 P e l l a n tw e r ei n v e s Ⅱg a I e db ym e a n so f8 t l I l o s p h e d cc o m b u s t i o ne 。p e d m e n t s ．D T A 蛐db d d g e - p l “g S y s i c me x p e m e m s ，r e s p e c n 他l y 。n e 肥s u l t ss h o w e dl h a tl h en e wb d d g e p J u gp ‘印e 】b m 髓H b j c e dt bc h 啪c 廿d s t i c 。f s m a Ⅱe rb u m i “gn t ea 1 1 d1 0 w e ra d h e 8 i o n0 fi t 8r e 8 i d u e ．T h ec o m b u s t i o np m p e n i e s0 ft h ep r D P e u 蚰tc 舭b ei m p 。o v e db ya d j 惦t i “gt h ec o m e n to fb i n d e r ，t 1 1 。p 叭i c l eB i z eo f0 x i 出z e r ，o rt h e ∞n t e n t0 fo o o U “ga g e n t ．T h ec o m b u s t i o no ft h ep r o p e l l a r I t 抽b 矗d g ep l 唱8 p 妇ni ss ￡a b 】e ＆丑de Ⅱa b kac o “P k c e 趴ds u c c e s 越口昨r a d o no f 确d g e ．p k gs y s t e m ．w ‘未h t e n s u r e sm e n e wb d d 铲一p l u Sp ∞p 6 岫Ⅱt8p r o 耐s i n gp r o s p e c to fW i d e8 p p U c a t i d 舳i nt hf u t u I e ． [ K E Yw 0 R D s ] b d 咎- p l u gp r o p e u a I I t ，p r o p e r t i e s ．b u m i n gr a l e ，a d h e s i v eo fp m p e u a n tr e s i d u e 上接第1 1 页 [ 1 4 ]c o n r o y M ．w ，o l e y m k I ．I ．，z y b i nsv ．，e tdD e n s 畸 F u n c t i o n a lT h e o r yC a l c I l l a t i o n so fA n i s o t r o p i cC o n s t i t u ． 矗v eR d “o n 8 K p sh 郜p h a q c l o 哺m e 吐珂l e n e 仃i “Ⅱ砌n e [ J ] ．J ．A p p l ．啦s ．，2 0 0 8 ，1 0 4 1 1 1 】3 5 0 1 - 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