油气井撞击式全通径起爆装置研究

杨新锋，李森茂，马晓亚

（1.甘肃省化工研究院，兰州 甘肃 730020；2.甘肃兰金民用爆炸高新技术公司，兰州 甘肃 730020）

0 引 言

全通径射孔[1]的技术关键从起爆装置和油管连接处至射孔器尾端，整个射孔枪串内腔的承压件、定位限位件、射孔弹、弹架、夹层弹架都在射孔弹和导爆索爆炸产生的冲击波和瞬间高温热粒子的作用下充分碎解和燃烧，其碎屑全部落入管串底部的口袋枪内或落入井底口袋，整个射孔枪串内腔形成畅通通道。全通径起爆装置为全通径射孔器串的瓶颈组件，国内开展撞击式全通径起爆装置研发尚未取得满意效果主要有3个原因：全通径起爆装置的通径内径尺寸≤60mm；内件自毁粉碎效果不佳，碎块粒度不规则；耐温耐压性能不稳定。为了确保射孔作业的成功率，研究开发新的、能满足技术要求的撞击式全通径起爆装置非常关键。

1 初型起爆装置结构和起爆原理

初型撞击式全通径起爆器由油管接头、陶瓷密封盖、撞击击针、发火器、上下通径芯件、通径接头组成（见图1）。

图1 初型全通径起爆装置示意图

全通径起爆装置的专用投棒撞击到陶瓷盖后，击碎陶瓷盖，解除系统密封。利用投棒的撞击力度撞击击针击发发火装置内的起爆药室，起爆药起爆，引爆主装置内的起爆药室。起爆药起爆，引爆主装药，由主装药引爆需要起爆的传爆管、导爆索和射孔弹。同时起爆器内的通径芯件在爆轰波的作用下完全破碎下落，形成不小于Φ50mm的光滑通径，从而完成全通径射孔作业。

2 初型起爆装置存在的结构和性能缺陷

反复试验研究表明，陶瓷盖型全通径起爆装置起爆率高，通径效果一般，通径不大于Φ50mm，结构和性能存在一定缺陷。

（1）密封胶耐温低。密封承压用的陶瓷盖是用环氧树脂在常温下粘接固化的，通过试验在高温下已固化的环氧树脂在120℃左右会软化，使粘接密封系统失灵，导致密封系统进油水，造成射孔作业失败。

（2）陶瓷盖属于易碎材料。由于我国的油田一般地处戈壁或山地、丘陵地带，现场环境较差，在射孔作业过程中，难免有一些落物会进入井筒内，即使是一块小石子，落入几千米的井筒内，其冲量足以击碎陶瓷盖，加之油管输送机械动力的制动、油管立柱的连接振动，均有可能会破坏陶瓷盖的密封系统，在投棒撞击前系统已经进水，造成起爆装置失效，导致射孔作业失败。

（3）铸铁通径芯件的强度和破碎效果相抵触。通径芯件强度越大，破碎碎块就越大，通径效果就越差；如果要求破碎碎块小，但通径芯件的强度就相应弱一些，甚至会使芯件在投棒撞击时被击穿，导致不起爆现象发生。

（4）芯件碎块块度不规则。最大块25mm×18 mm，这样的碎块在沿管壁下落过程中容易产生桥架。

3 新型起爆装置的研究

3.1 研究思路

将初型的陶瓷密封系统改为撞击密封一体化系统，采用O型圈密封；将初型的铸铁通径芯件改为特种高分子材质的通径芯件；将初型的胶粘剂粘接组装结构改为机械紧固装配结构。

根据全通径起爆装置的原理和结构，其中起爆装置的密封、通径芯件材质的破碎性能和结构、机械紧固装配结构是全通径起爆装置研究的技术关键。

3.2 O型圈密封系统的设计定型研究

全通径起爆装置内部元件和起爆装置下端联接的射孔枪的密封全靠起爆装置的密封系统保证。在井下高温高压、介质成分复杂的环境中，密封性能要牢靠，密封件的耐高温耐高压、耐腐蚀等综合性能一定要可靠。在此，借鉴航天工程和石油井下耐温耐压仪器的密封经验，采用O型圈密封结构。在同等环境、对同体积的腔体采用瓶盖式粘接密封和O型圈密封（见图2）。根据反复试验密封效果截然不同，记录见表1。

图2 密封系统示意图

表1 在同等环境下2种不同形式腔体耐温、耐压对比

3.3 高分子材料通径芯件的设计定型研究

3.3.1 通径芯件材质的选择

通径芯件首先要有良好的气密性、耐腐蚀能力和破碎性能，通过对机械工程材料[3]的研究筛选出了3种基本符合条件的可用材料：铸铁、陶瓷、高分子材料（3种材料性能对比见表2），经过大量的试验和研究，最终选择高分子材料。

3.3.2 通径芯件结构的设计研究

设计了具有抗谐振能力、强度高、组装便捷、起钝化作用的通径芯件结构[4]，然后，根据炸药在均匀固体介质中的爆炸原理[5]（见图3），在不影响芯件强度的基础上，为通径芯件设计了合理的破碎结构来确保起爆后的通径效果。

表2 铸铁、陶瓷、酚醛塑料材料性能对比

图3 主装炸药爆炸对酚醛芯件的碎解现象

3.4 机械紧固装配结构的设计定型研究

起初设计的撞击式全通径起爆装置属于一次性粘合装配，内部芯件配合精度要求高，组合难度大，陶瓷密封系统和芯件整体定位限位的粘接操作不便，粘接牢靠程度监测方式复杂，耐温耐压检测难度大，同时对装配的运输方式和储存环境要求很高。

新型撞击式全通径起爆装置的整体装配结构和紧固方式彻底改型为一体式通径芯件依次装配、台阶准确定位限位、螺纹紧固，零配件的互换性很好，零部件耐温耐压检测便捷，起爆装置拆装方便（其结构见图4）。为了运输、存储、搬动安全可靠，可将起爆装置的发火装置和主装药分开运输、储存、现场装配，确保起爆装置现场应用的安全。

3.5 初型和新型全通径起爆装置的技术指标对比

新型全通径起爆装置完全可满足全通径高效射孔技术现场应用。其性能对比见表3。

4 现场应用

2007年11月至2008年10月，先后在西北某油田2个区块采用 QTJ-102-16M－127和 QTJ－89－16M－89射孔器应用进行了5井次全通径射孔作业。

图4 新型全通径起爆装置示意图

表3 2种全通径起爆装置性能参数对比

井1、井2、井3采用 QTJ－102－16M－127射孔器，配套应用了102型新型撞击式全通径起爆装置，撞击点火成功。起出射孔管柱后，观察分析，从起爆装置至射孔枪串尾部内腔形成不小于Φ60mm的畅通通道，起爆装置内件全部破碎，碎块随投棒一同顺利下落至口袋枪内或井底，起爆装置成功起爆，通径效果良好，碎块粒度均匀。

井4、井5井深分别1832m和1638m，采用采用 QTJ－89－16M－89射孔器，配套应用了89型新型撞击式全通径起爆装置，撞击点火成功，起爆装置成功起爆，碎块粒度均匀，最大粒度11mm×9mm，通径效果良好。

5 结 论

新型撞击式全通径起爆装置的耐高温、耐高压、起爆率、通径效果、安全性、稳定性等技术指标均达到了设计要求，为全通径射孔技术的进一步完善和发展奠定了更扎实的基础。

[1]曾树峰，孔凡鹏，安恩向.含能弹架全通径射孔器的研究[J].爆破，2008，25（1）：65-68.

[2]梁锐，孔凡鹏，李清芳，等.撞击式全通径起爆器：中国，00242181.X[P].2001－07－04.

[3]何小柏.机械设计[M].重庆：重庆大学出版社，1995：153－162.

[4]郑明新.工程材料[M].北京：中央电视大学出版社1986：108－140.

[5]李翼祺，马素贞.爆炸力学[M].北京：科学出版社，1992：370－426.