分離式無起爆藥安全點火系統在石油射孔中的應用

張 波，朱建新

(勝利石油工程有限公司測井公司，山東 東營 257000)

目前，國內井中聚能射孔彈大多采用熱橋絲雷管作為起爆元件[1]，這類雷管中大多都含有起爆藥。為了降低起爆藥的敏感度，采用羧甲基纖維素包覆疊氮化鉛顆粒，但敏感度仍遠高于猛炸藥。因此這類含有起爆藥的雷管在儲存、運輸、裝配、拆卸等過程中容易意外起爆，并且容易受到無線電、雜散電流及意外撞擊影響，造成地面傷害或誤射孔事故[2]。

為了提高石油射孔的安全性，人們提出了許多新的設計和想法，設計出了一些新型的雷管，如爆炸橋絲雷管[3-4]、沖擊片雷管[5-6]、磁電雷管[7-8]和無起爆藥雷管[9-12]等。但這些雷管都是事先將發火裝置與藥柱連接在一起，從而可能導致藥柱發生意外爆炸。因此，研究一種將發火裝置與藥柱分離的無起爆藥安全點火系統具有非常重要的社會經濟價值。

1 作用原理

分離式裝置由發火裝置和飛片藥柱2個獨立部分組成，需要使用時再將兩者通過簡單方便的方法進行連接，其連接方式為只有在使用時，將發火裝置的輸入導線與短路的導線相連，另一端直接插入藥柱預制圓孔內固定，其他時間發火裝置與飛片藥柱分開。起爆器(高壓脈沖發生器)產生高壓脈沖，高壓脈沖通過輸入導線到達發火裝置的高壓放電電極兩端，使高壓放電電極周圍氣體發生強烈電離，帶電粒子做定向運動，形成電子崩，電子崩向陽極發展轉為流注，形成電離通道，使得電極氣隙阻抗降低，電極間隙被擊穿，電介質演變成為導體，產生放電火花，引燃驅動裝藥，驅動飛片高速飛行，達到一定速度后撞擊爆炸藥柱并引爆，進而引爆其他爆炸物質。

2 系統結構

分離式無起爆藥安全點火系統由發火裝置和飛片藥柱組成(見圖1)，其中發火裝置包括殼體、輸入導線、高壓放電電極和連接套筒，飛片藥柱包括頂端敞口、底端封閉的管殼，管殼內從上至下依次填裝有密封件、飛片驅動裝藥、飛片和爆炸藥柱，密封件上開設有能與發火裝置的高壓放電電極插裝配合的孔道，飛片與爆炸藥柱之間留有密閉空間。

注：1-發火裝置殼體；2-輸入導線；3-高壓放電電極；4-連接套筒；5-飛片藥柱管殼；6-密封件；7-飛片驅動裝藥；8-飛片；9-爆炸藥柱；10-密閉間隙；11-孔道。圖1 分離式無起爆藥安全點火系統結構Fig. 1 Structure of separated type non-primary explosive safe ignition system

與傳統的電阻式雷管相比，分離式無起爆藥安全點火系統存在以下幾個特點:

1)不含敏感的起爆藥，藥柱所用炸藥的主要成份為黑索今或奧克托今，與常用的射孔彈所用炸藥的主要成分相同；

2)發火裝置與藥柱只有在使用時確保安全的前提下處于連接狀態，其他時間均處于分離狀態，提高了起爆裝置的安全性；

3)發火裝置不含有任何爆炸藥劑成分，在任何情況下不會單獨發生爆炸；

4)分離式無起爆藥安全點火系統屬于瞬發性起爆，容易實現較高的爆炸同步性。

分離式無起爆藥安全點火系統使用的專用高壓脈沖發生器(見圖2)，由控制電路和儲能電路兩部分組成，設計成可以安裝在普通射孔馬龍頭內(見圖3)。其中控制電路完成高壓升壓、脈沖放電控制以及自鎖控制功能，儲能電路完成能量的蓄積和瞬間釋放。

圖2 高壓脈沖發生器模塊Fig.2 High voltage pulse generator module

圖3 專用高壓脈沖發生器安裝在普通射孔馬龍頭中Fig.3 Special high-voltage pulse generator is installed in thecommon perforating faucet

高壓脈沖發生器的工作原理為：將電源電壓進行升壓，升壓后的電能在儲能電路中蓄積，當達到起爆能級后，控制放電電路將儲能電路中的能量釋放到起爆裝置中完成引爆，同時控制電路閉鎖自鎖電路，關閉電源通道，系統進入關閉狀態，直到再次重新啟動。

與傳統起爆器相比，專用高壓脈沖發生器有以下幾個優點：

1)使用特定的電壓工作區間，區間外的電源不能使其工作，降低了漏電等雜散電流引起的誤動作概率；

2)能量釋放穩定，控制電路能夠穩定地控制蓄積能量的總量，提高了起爆裝置的可靠性；

3)具有自鎖功能，一次引爆完成后自動關閉，提高了起爆裝置的安全性。

3 可靠性測試

3.1 直/交流發火測試

將直/交流調壓器的輸出端與分離式無起爆藥安全點火系統相連，測試在一定直、交流電的作用下，分離式無起爆藥安全點火系統是否發火。

1)直流電發火測試。將型號為sorensen DC600-1.7E直流調壓器的輸出端與分離式無起爆藥安全點火系統相連，測試在一定直流電的作用下，分離式無起爆藥安全點火系統是否發火。

從100 V開始，以100 V為增量依次增加，直到600 V，檢測分離式無起爆藥安全點火系統是否發火。

實驗結果表明：從100 V至600 V，分離式無起爆藥安全點火系統均未發火，這說明600 V直流電不能引爆飛片裝藥。

2)交流電發火測試。將型號為CW1251 continuous wave AC power source交流調壓器的輸出端與分離式無起爆藥安全點火系統相連，測試在一定交流電的作用下，分離式無起爆藥安全點火系統是否發火。

從50 V開始，以50 V為增量依次增加，直到380 V，檢測分離式無起爆藥安全點火系統是否發火。

實驗結果表明：從50 V至380 V，分離式無起爆藥安全點火系統均未發火，這說明380 V交流電不能引爆飛片裝藥。

3.2 引爆導爆索測試

將飛片藥柱分別與直徑為6 、5.3 mm導爆索用膠帶相連，檢測飛片藥柱能否引爆導爆索。用200 m膠結銅線將遠程高壓放電裝置與分離式無起爆藥安全點火系統連接，實驗裝置如圖4所示，實驗結果如圖5所示。

圖4 引爆導爆索測試裝置Fig.4 Testing device of detonating detonating fuse

圖5 引爆導爆索測試結果Fig.5 Testing results of detonating detonating fuse

實驗結果表明：直徑為6、5.3 mm導爆索，分離式無起爆藥安全點火系統均能可靠引爆。

3.3 引爆射孔彈測試

將飛片藥柱分別與直徑為6、5.3 mm導爆索用膠帶相連，再將導爆索與射孔彈相連，檢測飛片藥柱能否引爆導爆索并引爆射孔彈。實驗裝置如圖6所示，試驗結果如圖7所示。

圖6 引爆射孔彈測試裝置Fig.6 Testing device of detonating perforating charge

圖7 引爆射孔彈測試結果Fig.7 Testing results of detonating perfoating charge

實驗結果表明：導爆索直徑為6 mm時，3發射孔彈穿深分別為168、158、161 mm，平均穿深為162 mm。導爆索直徑為5.3 mm時，3發射孔彈的穿深分別為158、162、165 mm，平均穿深為162 mm。均滿足射孔彈要求。這說明分離式無起爆藥安全點火系統具有較高且穩定的能量輸出。

4 現場應用

目前，分離式無起爆藥安全點火系統在石油射孔中已經實驗多次，用于高溫高壓射孔實驗9次，電纜輸送射孔作業12井次，非常規分段多次射孔10井次，實驗結果如表1和表2所示。

表1 點火系統在電纜輸送射孔作業中的應用情況

表2 點火系統在分段多次射孔作業中的應用情況

現場應用結果表明，射孔彈起爆成功率和發射率均達到100%。

5 結語

1)分離式無起爆藥安全點火系統在380 V交流電和600 V直流電作用下不會發火。

2)分離式無起爆藥安全點火系統爆炸后能夠可靠引爆導爆索。

3)應用分離式無起爆藥安全點火系統后的射孔起爆成功率達到100%。