LLM-105炸药晶形对射孔弹穿深性能的影响

徐文新，李尚杰，曲忠仁，李必红，李万全，周明

（1.西安物华巨能爆破器材有限责任公司，陕西 西安 710061；2.中国石油西部钻探工程有限公司测井公司，新疆 克拉玛依 834000）

0 引 言

在超高温油气井完井的发展历程中，人们一直在寻求具备能量更高、耐温性能更好等综合性能集于一体的高能量密度材料（HEDM）用于超高温射孔弹中，以达到增产增效的目的。根据最新国内外资料显示[1－5]，国内外常用耐超高温炸药有二氨基三硝基苯（DATB）、三氨基三硝基苯（TATB）、3-硝基－1，2，4-三唑-5-酮（NTO）、二氨基六硝基联苯（DI-PAM）、塔可特（TOCAT）、六硝基菧（HNS）、皮威克斯（PYX）、六硝基二苯砜（PCS）等。经过长期工程实践总结，现今主流耐热炸药仍是PYX和HNS。HNS常用于制备柔性超高温导爆索、耐热传爆管及耐热雷管装药，而PYX用于超高温射孔弹装药。受PYX起爆感度低、爆速低等问题的影响，急需寻求一种能量更高、使用更安全可靠的超高温耐热炸药。2，6-二氨基-3，5-二硝基-1氧吡嗪（ANPZO），国外代号LLM-105，1995年由美国LLNL（劳伦斯利弗莫尔）实验室首次合成，1998年引起国际同行的关注，2003年前后中国小部分科研院所和高校相继开始了该药剂的合成和性能研究。该药剂热分解峰值温度可达350℃以上[6]，热安定性良好，爆炸威力比TATB高出15%，理论密度为1.913g／cm3，爆速8070m／s（ρ＝1.855g／cm3），是一种综合性能优良的高能钝感耐热炸药[7－8]。该药剂现已具备了产业化基础，并由西安物华巨能爆破器材有限责任公司首次将该药剂用于超高温石油射孔弹装药[9]。

影响超高温射孔弹穿深的因素较多。本文在药型罩结构、药型罩材料、射孔弹壳体、装药结构以及主装药相同的条件下，主要研究不同晶形LLM-105传爆药、药量和传爆孔孔径对射孔弹穿深性能的影响。由于同一种炸药的不同晶形影响着炸药的流散性、爆速、冲击波感度、机械感度等性能，为了深入研究LLM-105在超高温深穿透射孔弹中的应用，采用正交设计法将影响射孔弹穿深的因素LLM-105传爆药晶形、传爆药药量及传爆孔径进行试验，用较少的试验次数、较低的试验成本、较短的试验时间得出影响超高温射孔弹穿深性能的最优组合[10]，为今后超高温用药剂LLM-105在油气井中的拓展应用提供一些可供参考的数据。

1 样品选择及试验设计

试验药剂选用X状、Y状和Z状晶形纯LLM-105作为传爆药剂。3种晶形的热安定性能均良好，冲击波感度相当。因此，射孔弹主装药选择机械感度低、配方爆速高、便于压装的X状晶形LLM-105造型粉进行装填102型超高温深穿透射孔弹[8]，模拟装102枪穿45号钢靶（模拟装枪方式见图1）。单质LLM-105为传爆药，选择同样的药型罩、装药结构、壳体结构和超高温导爆索，将影响超高温射孔弹穿孔深度归结于传爆药LLM-105的晶形、传爆药药量和传爆孔孔径等3个因素确定为该试验的试验因素，分别记作A、B、C因素，根据实践经验各因素均取3个水平。

图1 地面模拟装枪穿45号钢靶试验结构示意图

表1为正交试验因素水平表。根据较少的实验次数可得到较多信息的原则，不考虑交互作用，采用L9（34）正交表最合适；第4列为空列。试验方案和试验数据见表2所示。

表1 正交试验因素水平表

表2 正交试验设计及试验结果

2 结果分析与讨论

2.1 试验结果分析

试验结果分析见表3。

表3 试验结果分析表

表3中，Kj表示各因素同一水平之和表示各因素同一水平的平均值；R表示各因素在其取值范围内试验指标变化的幅度，计算公式为

2.2 试验结果讨论

根据正交设计的特性，对试验条件完全一样的可进行直接比较。对比表2中9组数据，可见试验3的射孔穿深为249mm，为最高，其水平组合为A1、B3、C3，而根据表3可得A1、B3、C3分别是各因素中影响最大的水平。由此可得到该试验各因素组合中的最优组合为A1、B3、C3。而通过R值的大小可以得出该试验因素存在显著性顺序，其主次关系为A＞C＞B，即影响超高温射孔弹穿深最主要的因素是LLM-105传爆药晶形，其次是传爆孔孔径、传爆药的药量。

A因素中影响最大的水平是A1，即Y状晶形LLM-105炸药。相对其他晶形LLM-105炸药，Y状晶形表面存在棱角较多，压装后炸药颗粒间的空穴数量较多和孔隙率较高，这些因素使得热点温度升高，点火相对容易，在相同的输入能量的条件下，Y晶形的LLM-105传爆药容易起爆。

B因素中影响最大的水平是B3，即传爆药量为2g。根据传爆药量和起爆能力关系，当传爆药柱直径固定后，在一定范围内药量增加，药高增加，起爆能力增加。在不影响射孔弹壳装药量的同时，适当增加传爆药药量，使传爆药输出最大的爆轰能量，达到稳定起爆主装药的目的。

C因素中影响最大的水平是C3，即传爆孔孔径为4mm。根据起爆深度理论[11]，单位表面积获得的热点越多，热量传爆越多，起爆越容易实现。相对同一种晶形的传爆药，单位面积上的热点相同，增加传爆面积，可达到增加热点数量的目的；增加传爆孔孔径，传爆药爆轰成长期就越短，越容易起爆。

3 结 论

（1）在使用同一批次药型罩、装药结构一致、壳体结构相同和X状LLM-105造型粉为主装药的条件下，通过利用正交试验法得出数据结果可知，各因素对超高温射孔弹穿深影响的次序由高到低为LLM-105晶形、传爆药药量、传爆孔孔径。

（2）该试验得出102型超高温深穿透射孔弹设计的最佳条件是Y状LLM-105为传爆药、传爆药药量为2g、传爆孔孔径为4mm。

（3）按照最佳条件装药的102型超高温射孔弹地面模拟装102枪穿45号钢靶深度最佳，射孔穿孔深度为249mm。

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