聚能射孔器混凝土靶穿深穩(wěn)定性影響因素分析

荊立英，郭金榮，張會(huì)之

1.石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（黑龍江 大慶163853）

2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院（黑龍江 大慶163453）

3.山東北方民爆器材有限公司（山東 淄博255208）

射孔完井是使用最廣泛的完井方式，射孔建立了井筒和油氣層間的通道，為后續(xù)的油氣開采提供了條件。實(shí)踐表明，射孔孔道進(jìn)入油氣層越深，孔徑和孔道的一致性越好，越有利于油氣的產(chǎn)出，尤其是壓裂施工時(shí)，孔徑和孔道的一致性影響壓裂效果[1]。國內(nèi)外均非常重視聚能射孔器穿孔性能，對(duì)穿孔深度、穿孔孔徑的研究、分析較多[2-3]，但缺少對(duì)穿孔深度一致性的研究。本文研究穿孔深度的穩(wěn)定性，為進(jìn)一步提高聚能射孔器的制造水平提供參考。

1 穿孔深度及穩(wěn)定性

統(tǒng)計(jì)分析了2007—2019年國內(nèi)常用的外徑89 mm、102 mm聚能射孔器地面打混凝土靶監(jiān)督檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)按GB/T 20488—2006標(biāo)準(zhǔn)[4]第三章規(guī)定的射孔器地面打混凝土靶試驗(yàn)方法要求完成，外徑89 mm、102 mm聚能射孔器平均穿孔深度分別上升26.6%、26.4%，平均標(biāo)準(zhǔn)差分別上升65.4%、53.6%，平均標(biāo)準(zhǔn)差的上升幅度大于平均穿孔深度。

為了對(duì)比平均穿孔深度、平均標(biāo)準(zhǔn)差變化幅度，將平均穿孔深度縮小10倍（平均穿孔深度/10）、平均標(biāo)準(zhǔn)差與平均穿孔深度的比值放大1 000倍（平均標(biāo)準(zhǔn)差/平均穿孔深度×1 000）與平均標(biāo)準(zhǔn)差制圖（圖1、圖2）。由圖1、圖2可知，在2011—2013年間，穿孔深度有明顯提高，標(biāo)準(zhǔn)差也相應(yīng)增加，隨著工藝水平的提高，在2015年左右標(biāo)準(zhǔn)差明顯下降，但此后仍然較高且波動(dòng)明顯。表明穿孔深度提高的過程中，穿深穩(wěn)定性沒有得到有效控制，且呈上升趨勢(shì)，且幅度明顯超過穿孔深度。

圖1 外徑89 mm穿深穩(wěn)定性變化規(guī)律

圖2 外徑102 mm穿深穩(wěn)定性變化規(guī)律

2 國內(nèi)聚能射孔器穿孔深度穩(wěn)定性現(xiàn)狀分析

以外徑102 mm聚能射孔器為例分析平均標(biāo)準(zhǔn)差較小的2008年、2009年及標(biāo)準(zhǔn)差較大的2011年、2014年和2019年數(shù)據(jù)，國內(nèi)產(chǎn)品在2011年穿孔深度明顯提高，產(chǎn)品穩(wěn)定性隨之下降，不同生產(chǎn)商的產(chǎn)品呈現(xiàn)不同特點(diǎn)（圖3）。第一類以A廠的產(chǎn)品為代表，穿孔深度增加了，但穩(wěn)定性（標(biāo)準(zhǔn)差）控制的較好，在2014年平均穿孔深度增加明顯（16%），標(biāo)準(zhǔn)差僅上升9%，2019年其產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)差與穿深平均值的比為7.4%；第二類以B廠的產(chǎn)品為代表，穿孔深度增加了但穩(wěn)定性（標(biāo)準(zhǔn)差）控制的一般，偶爾波動(dòng)較大，在2014年平均穿孔深度增加35%，標(biāo)準(zhǔn)差上升95%，之后明顯回落，2019年其產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)差與穿深平均值的比為7.2%；第三類以C廠的產(chǎn)品為代表，穿孔深度增加了但穩(wěn)定性（標(biāo)準(zhǔn)差）控制的較差，在2014年平均穿孔深度增加23%，標(biāo)準(zhǔn)差上升102%，且無大幅度回落，2019年其產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)差與穿深平均值的比為15.8%。由于第三類廠家的存在，造成了國內(nèi)產(chǎn)品整體穩(wěn)定性控制效果不好（圖4）。

圖3 不同年份穿孔深度標(biāo)準(zhǔn)差分布

圖4 不同年份穿深穩(wěn)定性變化規(guī)律

3 穿孔深度穩(wěn)定性影響因素分析

3.1 穿孔深度穩(wěn)定性影響的主要因素

聚能射孔器的穿孔深度穩(wěn)定性由聚能射孔器、靶體和試驗(yàn)條件共同決定，試驗(yàn)條件控制相對(duì)容易，主要分析聚能射孔器穩(wěn)定性和混凝土靶介質(zhì)均一性對(duì)穿孔深度穩(wěn)定性的影響因素。

3.1.1 聚能射孔器

射孔器主要由射孔彈、射孔槍、導(dǎo)爆索和起爆器等組成。起爆器的作用是點(diǎn)火，只要雷管輸出能量滿足要求，能夠正常起爆導(dǎo)爆索，使導(dǎo)爆索爆轟波在高速爆轟狀態(tài)下穩(wěn)定傳播即可，因此起爆器影響射孔器穿孔深度穩(wěn)定性的程度很小。

1）聚能射孔彈。聚能射孔彈是通過錐形裝藥形成聚能射流對(duì)介質(zhì)作用形成射孔孔道的核心部件，是影響穿孔深度穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。射孔彈主要由彈殼、藥型罩、聚能裝藥組成。

①彈殼。射孔彈是通過錐形裝藥形成聚能射流對(duì)介質(zhì)作用形成射孔孔道。彈殼同軸度和底部厚度對(duì)穿深穩(wěn)定性也具有一定影響。這是因?yàn)椋S度好的彈殼是保證裝藥彈體炸藥藥柱、藥型罩同軸的前提，有利于形成穩(wěn)定的聚能射流[5]。當(dāng)殼體較厚時(shí)，炸藥爆轟時(shí)其反射的沖擊波對(duì)藥型罩的壓垮匯聚乃至形成穩(wěn)定射流有利，有助于提高穿深穩(wěn)定性。

②藥型罩。藥型罩是射孔彈的核心部分，是形成金屬射流對(duì)介質(zhì)進(jìn)行做功的能量載體，其混粉壓制工藝和質(zhì)量密度均勻性，直接影響到穿孔深度的穩(wěn)定性[6]。理想的藥型罩是質(zhì)量密度關(guān)于中心線軸對(duì)稱的回轉(zhuǎn)體。藥型罩制造應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)粉末材料，采用專業(yè)混料設(shè)備，設(shè)定合理混粉時(shí)間，確保粉末材料混合均勻。采取措施使粉末材料充滿模腔并均勻分布，提高藥型罩質(zhì)量和密度分布均勻性。通過提高模具和設(shè)備精度，減小藥型罩壁厚差。藥型罩中部以上壁厚差大于或等于0.05 mm時(shí)對(duì)穿深及穩(wěn)定性有一定影響，一般應(yīng)控制在0.04 mm以內(nèi)。藥型罩壁厚應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，102型及以上射孔彈藥型罩一般情況下不小于1 mm，根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行調(diào)整。壁厚太薄時(shí)，射流速度變大，金屬射流質(zhì)量變小，穿深穩(wěn)定性降低。

③聚能裝藥。聚能藥柱是射孔的能量來源。提高裝藥密度有利于提高穿深，但提高壓制壓力會(huì)出現(xiàn)損傷藥型罩影響穿深穩(wěn)定性的現(xiàn)象[7]。對(duì)于射孔彈，不同類型炸藥應(yīng)控制在一定的合理裝藥密度范圍，密度過高或過低均會(huì)影響穿深及穩(wěn)定性。

聚能藥柱及射孔彈整彈同軸度對(duì)穿深穩(wěn)定性也有一定影響。優(yōu)良的壓藥工藝和精密的設(shè)備模具能夠提高藥柱本身同軸度，同時(shí)也提高了彈殼、聚能藥柱和藥型罩三者裝配整體的同軸度，這對(duì)于提高穿深穩(wěn)定性是非常有效的。

2）射孔槍。射孔彈是通過一定的排列方式裝在射孔槍內(nèi)彈架上。射孔槍壁厚的均勻性、布彈方式、彈架及盲孔加工精度對(duì)穿深穩(wěn)定性均有一定影響。科學(xué)合理的布彈方式能夠提高槍內(nèi)炸高，防止彈間干擾。射孔槍壁厚和盲孔深度均勻、彈架加工精度高，有利于提高射孔器整體穿深穩(wěn)定性。

3）導(dǎo)爆索。射孔器內(nèi)的射孔彈是通過導(dǎo)爆索穩(wěn)定爆轟順次引爆的。如果炸藥的粒徑變化大、密度不均勻，和藥芯的直徑配合不好以及炸藥純度差等，都會(huì)引起爆速不穩(wěn)定。正常射孔是在高速爆轟下進(jìn)行，由于爆轟波可以在高速爆轟、低速爆轟兩種狀態(tài)下傳播，并在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，在低速爆轟狀態(tài)下，射孔彈不能正常發(fā)射或者爆轟速度不夠，會(huì)對(duì)射孔彈穿深及穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)線促進(jìn)導(dǎo)爆索質(zhì)量提高，有助于提高射孔彈穿深穩(wěn)定性。

3.1.2 混凝土靶

聚能射孔器檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6163—2018《油氣井用聚能射孔器材通用技術(shù)條件及性能試驗(yàn)方法》[8]中對(duì)混凝土靶材料、制作、養(yǎng)護(hù)等作了詳細(xì)規(guī)定。國內(nèi)外均通過嚴(yán)格的工藝控制保證混凝土靶成分均勻、強(qiáng)度一致。雖不能排除偶然因素造成的靶體局部強(qiáng)度波動(dòng)，進(jìn)而影響聚能射孔器的穿孔深度穩(wěn)定性，但整體影響不大。

3.2 現(xiàn)有工藝技術(shù)條件下部分影響因素探討

3.2.1 藥型罩材料配方的影響

調(diào)整藥型罩配方的目的是選擇一種更合理的配方制造藥型罩，以獲得更好的穿孔深度。在其他條件相同的條件下，開展對(duì)比試驗(yàn)。射孔槍為102-16-90-105，射孔彈為DP41RDX32-3型，按SY/T 6163—2018標(biāo)準(zhǔn)要求制做混凝土靶，套管外徑139.7mm（5?"），試驗(yàn)時(shí)混凝土靶抗壓強(qiáng)度為41.6 MPa、43.5 MPa。用藥型罩A和B配方生產(chǎn)的射孔彈組裝的102型射孔器，平均穿深分別為828 mm和892 mm，穿深相當(dāng)；穿深標(biāo)準(zhǔn)差分別為47和87；穿深穩(wěn)定性分別為5.7%和9.8%，穿深標(biāo)準(zhǔn)差和穩(wěn)定性差別較大（表1）。試驗(yàn)表明，藥型罩配方影響穿深穩(wěn)定性，科學(xué)合理的配方有利于提高混凝土靶穿深穩(wěn)定性。

表1 三種不同藥型罩配方聚能射孔彈穿孔性能對(duì)比

3.2.2 藥型罩壁厚差的影響

試驗(yàn)選擇不同壁厚差的藥型罩的目的是研究藥型罩徑向壁厚差變化對(duì)穿孔深度穩(wěn)定性的影響，以確定更合理的制造工藝參數(shù)。在其他條件相同的條件下，開展對(duì)比試驗(yàn)。射孔槍為89-16-90-105，射孔彈為DP36RDX25-7型，藥型罩壁厚差不同：Ⅰ和Ⅱ，第Ⅰ組藥型罩壁厚差較小，≤0.04 mm；第Ⅱ組藥型罩壁厚差較大，0.05～0.07 mm。按SY/T 6163—2018標(biāo)準(zhǔn)要求制做混凝土靶，套管外徑139.7 mm（5?"），試驗(yàn)時(shí)混凝土靶抗壓強(qiáng)度為42.2 MPa、40.6 MPa。用不同壁厚差Ⅰ組（≤0.04mm）和Ⅱ組（0.05～0.07 mm）藥型罩壓制的射孔彈組裝的89型射孔器，平均穿深分別為752 mm和707 mm；標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為47和77；穿深穩(wěn)定性分別為6.3%和10.9%，差別較大（表2），表明控制藥型罩壁厚差在較小范圍內(nèi)有利于提高混凝土靶穿深及穩(wěn)定性。

表2 兩種不同壁厚差聚能射孔彈穿孔性能對(duì)比

3.2.3 彈殼尾部錐面最小壁厚的影響

試驗(yàn)選擇不同彈殼尾部錐面最小壁厚的射孔彈以對(duì)比不同彈殼壁厚對(duì)穿孔深度穩(wěn)定性的影響。射孔槍為89-16-90-105，射孔彈為DP36RDX25-7型，射孔彈殼X：DP36RDX25-7X型，射孔彈尾部錐面最小壁厚2.4 mm；射孔彈殼Y：DP36RDX25-7Y型，射孔彈尾部錐面最小壁厚5.1 mm。試驗(yàn)靶：標(biāo)準(zhǔn)混凝土靶，139.7 mm套管，均符合SY/T 6163—2018標(biāo)準(zhǔn)要求；靶強(qiáng)度：44.2 MPa。除射孔彈殼分X和Y兩種外，其他試驗(yàn)條件相同。對(duì)X、Y兩種射孔彈殼壓制的射孔彈進(jìn)行混凝土靶穿深穩(wěn)定性對(duì)比試驗(yàn)。數(shù)據(jù)顯示，用彈殼DP36RDX25-7X（尾部錐面最小壁厚2.4 mm）和DP36RDX25-7Y（尾部錐面最小壁厚5.1 mm）加工的射孔彈組裝的89型射孔器，平均穿深分別為677 mm和766 mm；穿深標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為78和47；穿深穩(wěn)定性分別為11.5%和6.1%，穿深標(biāo)準(zhǔn)偏差和穩(wěn)定性差別較大（表3）。從以上數(shù)據(jù)可以看出，尾部錐面最小壁厚對(duì)穿深穩(wěn)定性影響是很明顯的，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)殼體結(jié)構(gòu)，增加尾部錐面最小壁厚有利于提高混凝土靶穿深穩(wěn)定性。

表3 兩種不同彈殼尾部錐面最小壁厚聚能射孔彈穿孔性能對(duì)比

3.2.4 研究與探討

以上對(duì)比試驗(yàn)反映出藥型罩配方變化、藥型罩壁厚增大、彈殼尾部錐面最小壁厚變化3個(gè)方面，不但對(duì)穿孔深度有影響，對(duì)穩(wěn)定性也有影響。通常認(rèn)為藥型罩配方變化主要影響穿孔深度、藥型罩壁厚變化主要影響穿孔孔徑、彈殼尾部錐面最小壁厚變化對(duì)穿孔性能影響較小，分析具體工藝過程可以發(fā)現(xiàn)藥型罩配方變化會(huì)導(dǎo)致同部分工藝調(diào)整，從而影響到整體性能。可見，產(chǎn)品穩(wěn)定性控制復(fù)雜、難度大，在現(xiàn)有工藝技術(shù)條件下，主動(dòng)或被動(dòng)調(diào)整某一參數(shù)往往會(huì)影響其他參數(shù)，甚至?xí)霈F(xiàn)牽一發(fā)而動(dòng)全身的現(xiàn)象[9]，想要進(jìn)一步提高穩(wěn)定性需要在基礎(chǔ)研究上提高認(rèn)識(shí)，充分考慮到各方面因素，以期獲得最大穿孔深度、最佳穩(wěn)定性和更低成本控制的平衡點(diǎn)。

為了進(jìn)一步降低人工操作以及各工藝環(huán)節(jié)的影響，近年來國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)逐漸由人工操作向自動(dòng)化操作轉(zhuǎn)變，精細(xì)控制各環(huán)節(jié)，以期獲得更穩(wěn)定的產(chǎn)品，如中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司西南分公司研發(fā)的射孔彈自動(dòng)化壓裝生產(chǎn)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品穩(wěn)定性由原來的93%提高到96%[10]，可見自動(dòng)化生產(chǎn)也是提高產(chǎn)品穩(wěn)定性的一種有效途徑。

4 結(jié)論

1）2007—2019年間國內(nèi)聚能射孔器產(chǎn)品穿孔深度呈上升趨勢(shì)，外徑89 mm、102 mm分別上升26.6%、26.4%，標(biāo)準(zhǔn)差分別上升65.4%、53.6%，穿孔深度穩(wěn)定性沒有得到有效控制，且上升幅度超過穿孔深度。

2）穿孔深度穩(wěn)定性下降的主要原因是部分制造商的產(chǎn)品在穿孔深度提高的同時(shí)穩(wěn)定性沒有得到有效控制，影響了國內(nèi)產(chǎn)品的整體水平。

3）分析了影響穿孔深度穩(wěn)定性的主要因素和部分因素的影響程度，有助于國內(nèi)制造商改進(jìn)工藝，進(jìn)一步提高產(chǎn)品穿孔深度穩(wěn)定性，以期獲得更好的射孔施工效果。