装填LLM-105炸药超高温射孔弹性能评价

李万全, 李必红, 赵云涛, 李尚杰, 徐文新, 周明

(西安物华巨能爆破器材有限责任公司, 陕西 西安 710061)

0 引 言

随着油气资源勘探开发的不断深入,深海,超深海等极端区域已成为油气勘探的重要领域,其深层、超深层、地层主要表现为高温高压、低渗透、高致密性等;同时,陆上开采区域逐渐向低压低渗透超高温深井(6 000 m,井温200 ℃以上)发展。在这些特殊区域开采过程中所用的超高温射孔弹的穿孔性能以及安全可靠性随着温度的升高而降低,根据GB/T 20489中对超高温射孔弹的穿孔性能要求其穿孔性能指标与同型号的常温射孔弹的相比,下降幅度达到25%[1]。因此,在对超高温完井施工过程中,为了满足深层油气开发的安全可靠性,对射孔器材穿深性能与安全可靠性提出更高的要求。

2,6-二氨基-3,5-二硝基-1-氧吡嗪(LLM-105),由美国LLNL实验室于1993年首次合成[2],密度为1.913 g/cm3,输出能量比TATB高出15%,比TNT高出30%[3],是一种高能钝感新型含能材料。根据LLM-105的高能钝感和热稳定性良好的特点,可作为钝感传爆药剂和超深油井用射孔弹装药[4]。黄亚峰等[5]对高温耐热炸药的研究现状和进展进行了初步研究,文献[6]中首次将LLM-105药剂在常>温条件下应用于石油射孔弹的研究。

1 药剂安定性测试

表1为LLM-105混合炸药的部分性能参数。

表1 LLM-105为基混合炸药的部分性能参数

1.1 药剂晶形

药剂:根据文献[7]提供的不同晶形性能参数,选取块状晶形的LLM-105炸药作为射孔弹主装药。LLM-105单质炸药晶形见图1。

图1 块状LLM-105晶形扫描电镜图

1.2 药剂热安定性分析

1.2.1 DSC分析

以块状晶形的LLM-105为样品进行热稳定性试验,采用差热分析和差示扫描量热进行测定。采用德国Netzsch DSC 204型差热分析仪,以10 ℃/min升温速率,测定的DSC曲线见图2。

图2 10 ℃/min升温速率条件下LLM-105的DSC曲线

1.2.2 TGA分析

采用瑞士梅特勤-托利多公司TGA/SDTA851热分析仪,线性升温速率10 ℃/min,测试经过220 ℃/48 h后的LLM-105混合炸药的TGA曲线见图3。

图3 220 ℃/48 h后LLM-105混合炸药的TGA曲线

2 模拟环境温度对射孔弹的安全性分析

2.1 试验条件及试验装置

2.2 射孔弹破甲试验

耐温试验后进行地面模拟装枪穿钢靶试验来测试经不同环境温度后4in型射孔弹的破甲性能。为保证试验过程的安全性,经高温模拟环境加热后射孔弹需冷却24 h后从试验装置中取出,进行地面模拟装枪穿钢靶试验。试验装置见图4,试验模拟了射孔器在实际射孔时射孔弹、射孔枪以及套管之间的位置装配关系。

图4 地面模拟装枪穿钢靶试验装配示意图

表2 各温度条件下的地面模拟装4 in枪穿钢靶试验结果(枪内炸高26.8 mm,枪外炸高18.0 mm,套管外径7 in)

表2 各温度条件下的地面模拟装4 in枪穿钢靶试验结果(枪内炸高26.8 mm,枪外炸高18.0 mm,套管外径7 in)

样品温度条件/℃穿孔深度/mm穿孔孔径/mm125612.0×13.02常温26112.0×12.0325311.0×12.0平均值256.712.0425112.2×13.05200/100h25912.0×12.0624912.0×12.6平均值253.012.3725011.5×12.08220/100h24611.4×12.6923912.0×12.3平均值245.012.01023211.8×12.011220/200h24112.1×12.11223611.6×12.1平均值236.311.9

3 结果与讨论

3.1 温度对射孔弹穿深的影响

图5 各温度条件下地面模拟装4 in 枪穿钢靶试验结果

由表2可知,经200 ℃/100h高温环境后,较常温条件下破甲深度降低1.4%;经220 ℃/100 h高温环境后,较常温条件下破甲深度降低4.6%;经220 ℃/200 h高温环境后,较常温条件下破甲深度降低7.9%。

由此可知,随着试验温度的提高和耐温时间的增长,射孔弹的破甲能力也相应地减少,但减少量均低于常温条件下破甲穿深的8%。

3.2 温度对射孔弹安全性的影响

射孔弹对温度变化的安全程度取决于所装填药剂对温度的热安定性。通过图2可知,LLM-105炸药的DSC曲线显示,在10 ℃/min的升温速率条件下其放热峰温为349.64 ℃;通过图3可知,LLM-105炸药经过220 ℃/48h高温环境后的TGA曲线,273 ℃时热失重为1.77%,500 ℃时LLM-105炸药失重为84.080 1%。DSC和TGA分析表明,LLM-105炸药在小于250 ℃高温环境结构稳定,热分解缓慢,热分解诱导期较长,具有较高的热分解温度和良好的热安定性。

温度对装填LLM-105混合炸药的耐高温射孔弹的安全性可靠,在不同温度和适当的时间内均属于稳定状态。

4 应用实例

2013年,胜利石油工程有限公司测井公司××区块××井,油层温度198 ℃,采用装填LLM-105混合炸药的超高温射孔弹装配成4 in型(102型)射孔器射孔后日产液8.4 m3,日产油1.4 m3,射孔弹发射率、一次成功率均为100%。

5 结 论

(1) 块状晶形的LLM-105单质炸药在10 ℃/min升温速率条件下的DSC最高分解温度为349.64 ℃;LLM-105单质药经220 ℃/48 h高温试验,通过对药剂的TGA测试热分析,热稳定性良好。

(3) 经不同环境温度对耐热射孔弹的耐热试验,可知炸药LLM-105是一种可长期在高温环境下存放并且爆炸性能影响较小的适合超高温射孔弹用的耐热高能炸药,所装填的射孔弹在220 ℃/200 h的环境温度下作用稳定可靠。

(4) 装填LLM-105混合炸药的超高温射孔弹经过现场使用,效果良好,为提高深部高温储层射孔完井效果提供了技术支持,具有广阔的应用前景。

参考文献:

[1] GB/T 20489—2006. 油气井聚能射孔器材通用技术条件 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2006.

[2] Pagoria P F, Mitchell A R, Schmidt R D, et al. Synthesis Scale-up and Experimental Testing of LLM-105 Proceedings [C]∥Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium, San Diego, 1998.

[3] Tan T D, Pagoria P F, Hoffman D M, et al. Characterization of 2,6-Diamino-3,5-Dinitropyrazine-1-Oxide (LLM-105) as an Insensitive High Explosive Material [C]∥The 33rd International Annual Conference on ICT on Energetic Materials-Synthesis, Production and Application, Karlsruhe, Germany, June 25-28, 2002.

[4] Pagoria P F, Lee G S, Mitchel A R, et al. The Synthesis of Amino-and Nitro-Substituted Heterocycles as Insensitive Energetic Materials [C]∥Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium, Bordeaux, France, October 8-11, 2001.

[5] 黄亚峰, 王晓峰, 冯晓军, 等. 高温耐人炸药的研究现状与发展 [J]. 爆破器材, 2012, 41(6): 1-4.

[6] 徐文新, 李必红, 李万全, 等. 以LLM-105为基的耐热混合炸药的应用研究 [J]. 火工品, 2012, (4): 40-43.

[7] 刘玉存, 刘登程, 杨宗伟, 等. 耐热炸药ANPZO性能的实验研究 [J]. 含能材料, 2012, 20(6): 252-256.