深井延迟长脉冲燃爆压裂火药优配与评价

任 杨， 吴飞鹏， 蒲春生， 何延龙， 马 岩， 刘洪志

(1.中国石油大学(华东) 石油工程学院， 山东 青岛 266580; 2.中原油田井下特种作业公司， 河南 濮阳 457000)

0 引言

燃爆压裂主要通过高能火药在井筒中瞬间燃烧，产生大量高能高压气体来破裂地层.该技术成本低、污染小、工艺简单，在低渗透、特低渗透油气藏应用较为广泛[1-5].影响燃爆压裂施工效果的关键因素之一是火药爆燃加载时间，即火药爆燃速度.

目前成熟燃爆压裂火药主要为以双芳-1和双芳-3火药为代表的双基推进剂或复合推进剂[6]，但该类火药燃烧速度过快(7 MPa压力下大于16 mm/s)，难以形成安全加载峰值压力与持续加载时间的有效平衡，作用于目的层的有效持压时间短，致使压裂形成的裂缝长度和规模受限，特别是在深层、超高压地层中应用时效果不理想，成为燃爆压裂技术难以快速扩展的关键瓶颈之一.

因此，迫切需要对目前燃爆压裂火药体系进行升级改进.本文针对当前成熟火箭推进剂[7-12]，根据其燃烧性能、力学性能和安全性能等参数初步优选了符合延迟长脉冲燃爆压裂火药要求的几种推进剂.

1 延迟长脉冲燃爆压裂火药的初步筛选

考察发现，交联改性双基推进剂(XLDB)、复合双基推进剂(CDB)、端羟基聚丁二烯(HTPB)的耐温、力学性能较好，其比冲、燃速和压力指数相对较低，且从未应用于燃爆压裂领域[7,8,11,12].因此，初步选取这三种推进剂进行燃烧性能评价.

按照三种推进剂的典型配方(表1)制备成圆柱形药柱，各取5.0 g在20 ℃、7 MPa下采用密闭爆发器测试它们的压力-时间(P-t)曲线，测试结果如图1所示.

由图1可知，达到峰值压力前，三种推进剂的爆燃加载速率均随燃烧的进行而快速增大，其中XLDB推进剂的峰值压力为156.1 MPa，爆燃时间为(达到峰值压力的时间)33.6 ms；CDB推进剂的峰值压力为117.3 MPa，爆燃时间为41.1 ms；HTPB推进剂的峰值压力为147.9 MPa，持压时间为66.3 ms.CDB推进剂的峰值压力最小，难以充分破裂深层、超高压储层；而HTPB和XLDB推进剂峰值压力接近，能量高，不仅能轻易压开储层，而且能扩大破裂规模，易于形成不受地应力控制的多条裂缝；HTPB推进剂的爆燃加载时间为XLDB推进剂的两倍，能够长时间地作用于地层，加大裂缝的延伸长度和破裂规模，其性能优于其它两种推进剂.

表1 XLDB、CDB、HTPB推进剂的典型配方[7,8]

注：PGA，聚己二酸乙二酯；TDI，甲苯二异氰酸酯.

图1 三种推进剂的P-t测试曲线

三种推进剂成型固化后经侧面包覆置于充氮调压式燃速仪中，在20 ℃、3.0～11.0 MPa压力范围下，采用靶线法测定推进剂燃速(u).测试结果如图2所示.

图2 三种推进剂的u-P曲线

由燃速-压力(u-P)测试可看出，三种推进剂的燃速均与压力成正相关，相同压力下，XLDB推进剂、HTPB推进剂和CDB推进剂燃速和压力指数依次降低；其中，HTPB推进剂燃速和压力指数最小，燃烧最稳定，同等药量和压力下，爆燃加载持压时间最长，有利于增大燃爆在深层、超高压地层中形成的裂缝长度和规模.

但同时也注意到，HTPB推进剂虽燃爆时间最长，燃速和压力指数最小，但其燃速、压力指数还是偏高，可通过调节配方比例、加入添加剂等措施优化其燃烧和力学性能.

2 延迟长脉冲燃爆压裂火药配方的性能优化

降低燃速和压力指数的方法中，常用的主要是添加降速剂[13-15].由此，在端羟基聚丁二烯推进剂(HTPB)基础配方中添加不同种类和组合的添加剂，进行降低燃速对比实验.

延迟长脉冲火药基础配方：HTPB(丁羟黏合剂)，9.6%wt；AP，66.5%wt；Al(直径100～120μm)，16.6%wt；己二酸二辛酯，2.7%wt；降速剂，3.0%wt；甘油单蓖麻油酸酯，1%wt；其它，0.6%wt.

各固体降速剂的处理方法是：首先置于真空烘箱中干燥至少4 h，然后研磨并过25μm的标准筛，最后在85 ℃烘箱中完成烘干和固化.表2是几种减速剂对基础火药配方的实验降速效果(温度20 ℃，压力7 MPa).

表2 降速剂对推进剂燃速的影响

注：季铵盐与其它降速剂质量之比为1∶4

由表2可得，降速剂的降速率CaC2O4+季铵盐>SrCO3+季铵盐>CaCO3+季铵盐>Ca3(PO4)2+季铵盐>季铵盐+LiF.季铵盐与其它降速剂组合的降速效果优于单个降速剂，具有较好的协同降速效应.其中CaC2O4+季铵盐降速剂组合将火药在7 MPa下燃速和压力指数分别降低至7.24 mm/s和0.258 3，降速幅度达到21.98%，降速效果最好，燃烧最为稳定.故最终优选出延迟长脉冲燃爆压裂火药配方如表3所示.

表3 延迟长脉冲燃爆压裂火药配方

进而对延迟长脉冲燃爆压裂火药进行从低压到高压的u-P测试，结果如图3所示.

图3 延迟长脉冲火药的u-P曲线

燃速-压力曲线可以分为四个阶段：0～11 MPa，低压燃速缓慢上升区，压力指数0.259 4；15～45 MPa，燃速急剧增大区，压力指数0.982 4；50～90 MPa，高压燃速稳定区，压力指数0.187 4； 90 MPa后的燃速快速攀升区，压力指数0.853 7.深层、超高压油气井井底压力一般超过35 MPa，绝大多数落于45～70 MPa范围内，而延迟长脉冲燃爆火药在此压力环境下处于稳定的“平台燃烧”区(压力指数<0.2)，燃速36.4～39.5 mm/s，变化幅度小，在深层、超高压地层有较强的适应性.

3 延迟长脉冲火药与传统燃爆压裂火药燃烧性能对比

采用常用的燃爆压裂传统火药—双芳-3火药作为代表与表3的延迟长脉冲火药在温度、压力等相同条件下进行P-t和从低压到高压的u-P测试.测试结果如图4所示.

(a) 两种火药的P-t测试对比曲线

结果表明，相对于双芳-3火药142.4 MPa的峰值压力和36.8 ms的爆燃加载时间，延迟脉冲火药的峰值压力和爆燃加载时间分别达到152.5 MPa和78.1 ms，均高于前者，燃爆加载时间增长了112.28%.此外，两者的燃速均随压力的升高而增大，且前者一直大于后者，深层、超高压地层井底压力环境下(45～70 MPa)，双芳-3火药燃速高达78.3～85.4 mm/s，是延迟长脉冲火药燃速36.4～39.5 mm/s的两倍多.因此可以看出，在持压时间和地层压力下的燃速这两个燃爆压裂火药最重要的参数上，延迟长脉冲火药均远优于传统火药双芳-3.

4 延迟长脉冲火药的安全性评价

(1)机械感度(撞击、摩擦)

撞击(摩擦)感度的表征采用爆炸概率法[16]，每组(一组20次)实验的爆炸概率按下式计算：

(1)

式中：P为爆炸概率；X为20次实验中发生爆炸的次数.

a.撞击感度实验条件：实验装置为WL-1型立式落锤仪；落锤质量为10.00±0.010 kg；样品质量为25±0.5 mg；落高为20±1 cm；标准物质为特屈儿；温度为20 ℃.

b.摩擦感度实验条件：实验装置为WM-1型摩擦感度仪；摆角为95±1 °；表压(样品实际压力)为4.90±0.07 MPa；样品质量为30±0.5 mg；标准物质为特屈儿；温度为20 ℃.

实验中若观察到发光、冒烟、样品变色、和样品接触的滑柱面有蚀烧痕迹、听到有爆炸声或闻到有样品分解产物的气味等任一现象，则认定为爆炸，否则认为不爆.实验结果如表4所示.

表4 延迟长脉冲火药撞击感度和摩擦感度实验结果

延迟长脉冲火药的撞击感度和摩擦感度均低于标准物质特屈儿，在正确运输和操作使用过程中是安全、可靠的.

(2)耐温感度

深层油气井目的储层温度高(地温梯度一般为3 ℃/100 m)故延迟长脉冲火药必须具有良好耐热性能，以防其在较高温度下贮存和使用时物理化学性能发生改变.耐温性的测试实验采用差热分析法，实验设备为Shimdauz DAT-50差热分析仪和相应的计算机处理系统.

实验条件：升温速率为10 ℃/min；参照物为α-Al2O3；工作气氛为氮气；流速为15 mL/min.

实验结果如图5和表5所示.

图5 延迟长脉冲火药的DTA曲线

样品药量/mg分解起始温度/℃放热曲线峰温/℃延迟长脉冲火药1.02151.3249.8

延迟长脉冲火药在低于150 ℃的升温过程中基本没有放热或吸热现象出现，但在151.3 ℃开始分解，在250 ℃以后开始急剧放热并于249.8 ℃时达到放热峰值.因此延迟长脉冲火药在低于151.3 ℃的环境温度下是稳定、安全的.

5 结论

(1)HTPB推进剂峰值压力高、爆燃加载持压时间最长、燃速最小，最符合深层、超高压地层燃爆压裂对火药燃烧性能需求，适用作延迟长脉冲火药的基础配方.

(2)CaC2O4+季铵盐的降速剂组合降速幅度达21.98%，降速效果最好，燃烧最稳定.由此优选并确定了延迟长脉冲燃爆压裂火药的配方.

(3)测试表明，该延迟长脉冲火药无论是爆燃加载有效持压时间还是地层压力条件下的燃速等参数方面均优于传统燃爆压裂火药双芳-3.

(4)该延迟长脉冲火药适用于深层、超高压油气井的燃爆压裂作业，有利于目的层多裂缝的形成和延伸拓展，增大与天然裂缝沟通的概率，为后续水力压裂形成复杂缝网甚至体积缝网创造良好条件.

(5)该延迟长脉冲火药能经受住井下高温环境，正确的运输和使用过程中安全、可靠.

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