分离式无起爆药安全点火系统在石油射孔中的应用

张 波，朱建新

(胜利石油工程有限公司测井公司，山东 东营 257000)

目前，国内井中聚能射孔弹大多采用热桥丝雷管作为起爆元件[1]，这类雷管中大多都含有起爆药。为了降低起爆药的敏感度，采用羧甲基纤维素包覆叠氮化铅颗粒，但敏感度仍远高于猛炸药。因此这类含有起爆药的雷管在储存、运输、装配、拆卸等过程中容易意外起爆，并且容易受到无线电、杂散电流及意外撞击影响，造成地面伤害或误射孔事故[2]。

为了提高石油射孔的安全性，人们提出了许多新的设计和想法，设计出了一些新型的雷管，如爆炸桥丝雷管[3-4]、冲击片雷管[5-6]、磁电雷管[7-8]和无起爆药雷管[9-12]等。但这些雷管都是事先将发火装置与药柱连接在一起，从而可能导致药柱发生意外爆炸。因此，研究一种将发火装置与药柱分离的无起爆药安全点火系统具有非常重要的社会经济价值。

1 作用原理

分离式装置由发火装置和飞片药柱2个独立部分组成，需要使用时再将两者通过简单方便的方法进行连接，其连接方式为只有在使用时，将发火装置的输入导线与短路的导线相连，另一端直接插入药柱预制圆孔内固定，其他时间发火装置与飞片药柱分开。起爆器(高压脉冲发生器)产生高压脉冲，高压脉冲通过输入导线到达发火装置的高压放电电极两端，使高压放电电极周围气体发生强烈电离，带电粒子做定向运动，形成电子崩，电子崩向阳极发展转为流注，形成电离通道，使得电极气隙阻抗降低，电极间隙被击穿，电介质演变成为导体，产生放电火花，引燃驱动装药，驱动飞片高速飞行，达到一定速度后撞击爆炸药柱并引爆，进而引爆其他爆炸物质。

2 系统结构

分离式无起爆药安全点火系统由发火装置和飞片药柱组成(见图1)，其中发火装置包括壳体、输入导线、高压放电电极和连接套筒，飞片药柱包括顶端敞口、底端封闭的管壳，管壳内从上至下依次填装有密封件、飞片驱动装药、飞片和爆炸药柱，密封件上开设有能与发火装置的高压放电电极插装配合的孔道，飞片与爆炸药柱之间留有密闭空间。

注：1-发火装置壳体；2-输入导线；3-高压放电电极；4-连接套筒；5-飞片药柱管壳；6-密封件；7-飞片驱动装药；8-飞片；9-爆炸药柱；10-密闭间隙；11-孔道。图1 分离式无起爆药安全点火系统结构Fig. 1 Structure of separated type non-primary explosive safe ignition system

与传统的电阻式雷管相比，分离式无起爆药安全点火系统存在以下几个特点:

1)不含敏感的起爆药，药柱所用炸药的主要成份为黑索今或奥克托今，与常用的射孔弹所用炸药的主要成分相同；

2)发火装置与药柱只有在使用时确保安全的前提下处于连接状态，其他时间均处于分离状态，提高了起爆装置的安全性；

3)发火装置不含有任何爆炸药剂成分，在任何情况下不会单独发生爆炸；

4)分离式无起爆药安全点火系统属于瞬发性起爆，容易实现较高的爆炸同步性。

分离式无起爆药安全点火系统使用的专用高压脉冲发生器(见图2)，由控制电路和储能电路两部分组成，设计成可以安装在普通射孔马龙头内(见图3)。其中控制电路完成高压升压、脉冲放电控制以及自锁控制功能，储能电路完成能量的蓄积和瞬间释放。

图2 高压脉冲发生器模块Fig.2 High voltage pulse generator module

图3 专用高压脉冲发生器安装在普通射孔马龙头中Fig.3 Special high-voltage pulse generator is installed in thecommon perforating faucet

高压脉冲发生器的工作原理为：将电源电压进行升压，升压后的电能在储能电路中蓄积，当达到起爆能级后，控制放电电路将储能电路中的能量释放到起爆装置中完成引爆，同时控制电路闭锁自锁电路，关闭电源通道，系统进入关闭状态，直到再次重新启动。

与传统起爆器相比，专用高压脉冲发生器有以下几个优点：

1)使用特定的电压工作区间，区间外的电源不能使其工作，降低了漏电等杂散电流引起的误动作概率；

2)能量释放稳定，控制电路能够稳定地控制蓄积能量的总量，提高了起爆装置的可靠性；

3)具有自锁功能，一次引爆完成后自动关闭，提高了起爆装置的安全性。

3 可靠性测试

3.1 直/交流发火测试

将直/交流调压器的输出端与分离式无起爆药安全点火系统相连，测试在一定直、交流电的作用下，分离式无起爆药安全点火系统是否发火。

1)直流电发火测试。将型号为sorensen DC600-1.7E直流调压器的输出端与分离式无起爆药安全点火系统相连，测试在一定直流电的作用下，分离式无起爆药安全点火系统是否发火。

从100 V开始，以100 V为增量依次增加，直到600 V，检测分离式无起爆药安全点火系统是否发火。

实验结果表明：从100 V至600 V，分离式无起爆药安全点火系统均未发火，这说明600 V直流电不能引爆飞片装药。

2)交流电发火测试。将型号为CW1251 continuous wave AC power source交流调压器的输出端与分离式无起爆药安全点火系统相连，测试在一定交流电的作用下，分离式无起爆药安全点火系统是否发火。

从50 V开始，以50 V为增量依次增加，直到380 V，检测分离式无起爆药安全点火系统是否发火。

实验结果表明：从50 V至380 V，分离式无起爆药安全点火系统均未发火，这说明380 V交流电不能引爆飞片装药。

3.2 引爆导爆索测试

将飞片药柱分别与直径为6 、5.3 mm导爆索用胶带相连，检测飞片药柱能否引爆导爆索。用200 m胶结铜线将远程高压放电装置与分离式无起爆药安全点火系统连接，实验装置如图4所示，实验结果如图5所示。

图4 引爆导爆索测试装置Fig.4 Testing device of detonating detonating fuse

图5 引爆导爆索测试结果Fig.5 Testing results of detonating detonating fuse

实验结果表明：直径为6、5.3 mm导爆索，分离式无起爆药安全点火系统均能可靠引爆。

3.3 引爆射孔弹测试

将飞片药柱分别与直径为6、5.3 mm导爆索用胶带相连，再将导爆索与射孔弹相连，检测飞片药柱能否引爆导爆索并引爆射孔弹。实验装置如图6所示，试验结果如图7所示。

图6 引爆射孔弹测试装置Fig.6 Testing device of detonating perforating charge

图7 引爆射孔弹测试结果Fig.7 Testing results of detonating perfoating charge

实验结果表明：导爆索直径为6 mm时，3发射孔弹穿深分别为168、158、161 mm，平均穿深为162 mm。导爆索直径为5.3 mm时，3发射孔弹的穿深分别为158、162、165 mm，平均穿深为162 mm。均满足射孔弹要求。这说明分离式无起爆药安全点火系统具有较高且稳定的能量输出。

4 现场应用

目前，分离式无起爆药安全点火系统在石油射孔中已经实验多次，用于高温高压射孔实验9次，电缆输送射孔作业12井次，非常规分段多次射孔10井次，实验结果如表1和表2所示。

表1 点火系统在电缆输送射孔作业中的应用情况

表2 点火系统在分段多次射孔作业中的应用情况

现场应用结果表明，射孔弹起爆成功率和发射率均达到100%。

5 结语

1)分离式无起爆药安全点火系统在380 V交流电和600 V直流电作用下不会发火。

2)分离式无起爆药安全点火系统爆炸后能够可靠引爆导爆索。

3)应用分离式无起爆药安全点火系统后的射孔起爆成功率达到100%。