油气井全通径射孔自毁弹架的研究
Studyon Full Bore Perfloration CombUStible and Expendable
Charge Tube for Oil and Gas WeU Development
李森茂 孔丸鹏 梁 锐 李森茂
(甘肃兰金民用爆炸高新技术公司，兰州730000)
摘要：本文分析了目前全通径射孔技术的现场应用试验失败的主要原因，指出目前主要使用的铝合金和含能材料两种弹架，前者熔化碎解后容易堵塞在枪管内，后者虽然能够完全销毁，
但其机械强度不能满足高温条件下的射孔使用要求。因此，本文全面分析了在高温条件下自毁式含能弹架机械强度的影响因素，介绍了耐高温自毁弹架中复合火药的配方组成和配方试验结果，模拟试验方法和结果，证明了新配方满足使用要求。
关键词：全通径射孔；自毁弹架；复合火药；力学性能；火药配方；模拟试验
1 引言
全通径射孔技术[1-3]是指射孔后，从起爆器、连接头、枪管一直到枪尾都在射孔弹和导爆索爆炸产生的冲击波和瞬间高温的作用下全部碎解和燃烧，碎渣落入管串底部的口袋枪内或落入井底，这样整个射孔管串内腔就形成了一个流畅的轴向大通道，不需起管串便可直接进行生产测井等后续工程作业。我国多家油田对该技术都进行了现场应用试验，但是，到目前为止都没有取得理想的结果，究其失败的原因，主要集中反映在全通径射孔弹架的问题上。目前主要使用铝合金弹架和自毁式含能弹架，铝合金弹架的机械强度能够满足射孔要求，但是在射孔段上下界不完全装弹的情况下使用的破碎弹容易胀枪甚至炸枪，在射孔段完全装弹情况下熔化碎解的铝合金，容易在枪管内腔凝结成大块造成堵塞；自毁式含能弹架在射孔弹和导爆索爆炸产生的冲击波和瞬间高温金属热粒子的作用下能够完全销[4]，但目前出现在射孔市场上的自毁式含能弹架由于其耐温性差，机械强度低，无法满足井下高温环境中的射孔使用要求。研究在石油井下高温环境中的力学性能满足射孔要求的自毁式含能弹架是全通径射孔技术能否广泛推广应用的重要课题。
2 自毁弹架力学性能的影响因素
自毁弹架是以复合火药为原材料加工而成，其力学性能主要取决于复合火药。复合火药是一种含能的复合高分子材料，影响其力学性能的因素很多，归纳起来，主要有两个方面：胶粘剂系统的性能和固体组分与胶粘剂的有效粘合。
2.1 胶粘剂系统的影响
作为复合火药基本组分之一的胶粘剂对复合火药的力学性能的影响极大，这一点可以用表1来说明。
表1不同胶粘剂对复合火药力学性能的影响
Table l Different adhesive composite mechanical properties of gunpowder
|
胶粘剂类型 |
+50°C 强度/MPa |
+50°C延伸率/% |
+20°C强度/MPa |
+20°C延伸率/% |
|
PGA |
0.63 |
12.6 |
0.8 |
11.4 |
|
PDGA |
0.33 |
38.0 |
0.44 |
32.6 |
|
PEA |
— |
— |
0.78 |
30.4 |
|
PEAA |
0.48 |
33.6 |
0.63 |
17.0 |
|
PEG |
0.38 |
27.8 |
— |
— |
|
PTA |
0.80 |
34.0 |
0.96 |
38.3 |
对于自毁弹架复合火药胶粘剂的选择：
(1)胶粘剂与自毁弹架中的其他原材料在常温和高温下都具有良好的黏结能力，保证含能弹架的力学性能满足全通径射孔的要求。
(2)胶粘剂流变性和固化程序满足自毁弹架生产工艺要求。
(3)根据胶粘剂和固化剂的反应机理选择能够形成网络结构的配方，以提高含能弹架的机械强度。
(4)含能弹架在射孔弹发射前要有足够的机械强度来准确定位射孔弹，射孔弹发射后要完全燃烧销毁，但是在燃烧过程中不易产生太大的能量，否则容易造成射孔枪外径胀大，可能出现卡枪事故，甚至可能出现管串断裂后落井的事故。
2.2 固体氧化剂与胶粘剂间的有效黏结
复合火药中常用的氧化剂奥克托今(HMX)、黑索金(RDX)、高氯酸铵(AP)都属于非补强性填料，当复合火药受到一定载荷作用时很容易出现“脱湿”现象，这对复合火药的力学性能十分不利[5]。“脱湿”的实质是由于在外力作用下高分子胶粘剂和氧化剂等固体颗粒之间的界面结合被破坏，黏附失效而导致胶粘剂从固体颗粒表面脱离。选用合适的表面活性剂在固体颗粒表面形成一层坚硬柔韧的膜，并且使该膜与胶粘剂以化学键或氢键结合，成为提高复合火药力学性能的有效途径之一。
表面处理剂是一种增强复合火药中各组分之间，特别是无机填料与有机聚合物之间亲和力的一种有机物质，对改善复合火药的力学性能(机械强度)起着明显的作用。表面处理剂的分子结构特点是：分子中既含有与无机填料发生键合作用的基团，如-Si(OR)3，-P(OR)2，-Ti(OR)3等，又含有与有机胶粘剂分子发生反应的基团，如-HC=CH2，-CH-CH-，R-CH-N-，-NH2，-SH等。因此，它们分别与两种组分发生键合作用，在两者之间建立一个“分子桥”，把两者牢固地黏结在一起，使整个体系成为一个整体，从而提高复合火药的力学性能。
用醇胺类表面处理剂预处理AP时常有氨气放出， Monstrolia提出了如下的作用机理：
即醇胺类表面处理剂首先与AP发生化学反应，放出氨气，形成铵盐离子键，并牢固地吸附在氧化剂表面，醇胺类表面处理剂中的羟基与胶粘剂反应，进入胶粘剂体系，和胶粘剂之间形成牢固的键合，增强了AP与胶粘剂之间的黏结强度。
3 含能弹架中复合火药的配方
3.1 复合火药主体组分的确定
3.1.1 胶粘剂
由于环氧树脂具有粘合性好、胶粘强度高、工艺简单、毒性小等特点，对多种材料都具有良好的胶粘能力，因此，选用环氧树脂系列胶粘剂作为含能弹架复合火药的胶粘剂组分。
研究结果表明，许多环氧树脂体系在100°C的热空气中，会发生明显的热氧化降解作用，其表面热氧化层在应力作用下，成为开裂引发点，使其挠曲强度降低25%，具体表现为首先是高温软化，然后变硬，很容易脆裂，耐热性差。为了实现室温固化、150℃高温环境中使用的特殊要求，从环氧树脂和固化剂两个方面进行研究，选用高官能度、耐高温骨架的环氧树脂进行改性，适当提高其韧性，改善高温条件下的脆性。合成了具有芳环骨架的脂肪胺固化剂，这样就使其兼具芳胺和脂肪胺的特点，从而达到室温固化高温使用的目的。其固化机理如下[7]：
(1)伯胺与环氧树脂反应，生成带仲胺基的大分子。
(2)仲胺基再与另外的环氧基反应，生成含叔胺基的更大分子。
3.1.2 氧化剂
在复合火药中常用的氧化剂主要有奥克脱今(HMX)、黑索今(RDX)、高氯酸铵(AP)和高氯酸钾等几种。在复合火药中加入含能材料RDX、HMX等环硝铵化合物主要是为了提高复合火药的能量[8],但是含能架中的复合火药并不要求具有太高的能量，复合火药的存在只是为了能够促使弹架完全燃烧自然销毁，因此，RDX、HMX等环硝铵化合物氧化剂不宜选用。含高氯酸钾的复合火药的特点是燃速比较高[24],但在保证弹架能够完全燃烧的情况下，复合火药希望设计成地燃速配方。所以，选用AP作为复合火药中的氧化剂组分是比较合适的。
3.1.3 表面处理剂
针对新合成的室温固化高温使用的环氧树脂胶粘剂体系，合成了一种醇胺类表面处理剂，其作用机理如下：
即醇胺中的羟基与胶粘剂中的环氧基发生反应形成牢固的化学键粘结。
3.2 配方对比试验与结果
3.2.1 环氧树脂用量比例的影响
以不同比例分别取4份新合成的改性环氧树脂，记作A、B、C、D，分别同比例加入用新合成的表面处理剂预处理过的AP和新合成的固化剂。
(1)用以上四种配方分别黏结铝合金试片，在室温固化20小时，120%的烘箱固化2小时后，测试四种配方在不同温度下的剪切强度见表2。
表2 环氧树脂用量比例对剪切强度的影响(MPa)
Table 2 Ratio on the amount 0f epoxy resin shear strength(MPa)
|
温度/°C |
A |
B |
C |
D |
|
20 |
6.2 |
7.2 |
12.5 |
14.2 |
|
150 |
5.2 |
6.0 |
9.5 |
7.2 |
(2)将4种配方胶粘剂分别装入4个样品纸盒，在室温固化20小时，120°C的烘箱固化2小时后，进行燃烧试验，其结果是4件试验样品都完全燃烧自毁。
3.2.2 环氧树脂用量比例的影响
取4份相同量新合成的改性环氧树脂，分别加入相同比例的用新合成的表面处理剂预处理过的AP，再分别以不同比例加入新合成的固化剂，分别记作A、B、C、D。
(1)用以上四种配方分别粘结铝合金试片，在室温固化20小时，120℃的烘箱固化2小时后，测试四种配方在不同温度下的剪切强度，见表3。
表3 固化剂用量比例对剪切强度的影响(MPa)
Table 3 Relation 0f curing agent and shear strength(MPa)
|
温度/°C |
A |
B |
C |
D |
|
20 |
19.9 |
15.0 |
12.5 |
7.8 |
|
150 |
7.0 |
8.0 |
9.5 |
11.5 |
(2) 将4种配方胶粘剂分别装入4个样品纸盒，在室温固化20小时，120°C的烘箱固化2小时后，进行燃烧试验，其结果是4件试验样品都完全燃烧自毁。
3.2.3 氧化剂用量比例的影响
取4份相同量新合成的改性环氧树脂，分别加入用相同比例的新合成的表面处理剂预处理
过的AP(AP量不相同)，再加入相同比例的新合成的固化剂，分别记作A、B、C、D。
(1) 用以上四种配方分别粘结铝合金试片，在室温固化20小时，120°C的烘箱固化2小时后，测试四种配方在不同温度下的剪切强度，见表4。
表4氧化剂用量比例对剪切强度的影响(MPa)
Table 4 Relation of antioxidant content and shear strength(MPa)
|
温度/°C |
A |
B |
C |
D |
|
20 |
8.5 |
9.0 |
12.5 |
15.5 |
|
150 |
9.4 |
9.4 |
9.5 |
8.7 |
(2)将4种配方胶粘剂分别装入4个样品纸盒，在室温固化20小时，120°C的烘箱固化2小时后，进行燃烧试验，其结果是4件试验样品都完全燃烧自毁。
3.2.4 表面处理剂用量比例的影响
取4份相同量新合成的改性环氧树脂，分别加入用不同比例的新合成的表面处理剂预处理过的AP(AP量相同)，再加入相同比例的新合成的固化剂，分别记作A、B、C、D。
(1) 用以上4种配方分别粘结铝合金试片，在室温固化20小时，120°C的烘箱固化2小时后，测试4种配方在不同温度下的剪切强度，见表5。
表5 表面处理剂用量比例对剪切强度的影响(MPa)
Table 5 Relation of percentage of the surfacetreatment and shear strength(MPa)
|
温度/°C |
A |
B |
C |
D |
|
20 |
9.0 |
9.5 |
12.5 |
10.5 |
|
150 |
10.0 |
8.0 |
9.5 |
6.7 |
(2)将4种配方胶粘剂分别装人4个样品纸盒，在室温固化20小时，120°C的烘箱固化2小时后，进行燃烧试验，其结果是4件试验样品都完全燃烧自毁。
4 含能弹架的地面模拟试验及结果
由于含能弹架要在石油井下高温环境中使用，为确保其安全可靠性，专门建立了一套地面模拟试验方法(如图1所示)。装配了48发模拟射孔弹和模拟导爆索试验(过程略)，说明复合火药的配方完全能够满足石油井下高温环境对含能弹架力学性能的要求。
图 1 含能弹架高温力学性能试验装置示意图
Fig.1 Sketch of the high-temperature mechanical performance
1-石油套管；2-蒸汽入口；3-射孔枪管；4-模拟射孔弹；5-含能弹架；6-防护套；7-钢板底座；8-密封堵头；9-悬挂钢架；10-弹架定位环；11-温度计；12-模拟导爆索；13-排气口
参考文献
[1]闫永宏．全通径射孔枪的研制和应用[J]．石油机械，2003，31：45～46．
[2]李振芳．T114通径射孔器[J]．测井与射孔，2003，6(3)：75～77．
[3]刘豪，等．全通径射孔技术新进展[J]．测井与射孔，2004，7(1)：61～63．
[4]吴晋军，等．轴套式射孔压裂复合装置的研究与应用[J]．石油机械，2002，30(1)：10～11
[5]Consaga．USP 4 944 815．1990．
[6]李森茂，等．全通径射孔弹架专用胶粘剂的研究[J]．爆破，2004，21(3)：85～86．
[7]张斌．室温固化耐高温环氧胶．2004(内部资料)．
[8]肖忠良，等．火药能量设计准则[J]．兵工学报(火化工分册)，1995，17(2)：45～46．