石油射孔弹射孔剩余能量理论与实验研究#
李成兵，熊琎，马明勇*
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（新教师基金课题）（课题编号：20105121120006）
作者简介：李成兵，（1977-），男，副教授，主要研究方向：油气井工程力学、油气爆炸安全及预防、石
油天然气装备. E-mail: lichbing@mail.ustc.edu.cn
（西南石油大学机电工程学院，成都 610500）
5 摘要：在射孔-测试联作技术施工过程中，射孔弹井下爆炸后产生的强烈冲击作用可能导致
测试管柱、封隔器和套管等发生损坏或失效。本文通过对射孔弹井下爆炸过程、作用效应及
能量转换等进行理论分析，结果表明：射孔剩余能量是导致测试管柱、封隔器和套管发生损
坏或失效的能量源头；当只关注射孔弹井下爆炸后在射孔液中产生的瞬态压力场及其冲击破
坏效应时，射孔完井过程可以简化为普通炸药装药在射孔液中的爆炸。根据能量等效原理，
10 应用水下爆炸能量法和Cole 公式对三种常用的高温型射孔弹的井下射孔剩余能量进行了实
验研究，获得了其射孔剩余能量的当量炸药质量。
关键词：油气田开发工程；石油射孔弹；剩余能量；能量转换；水下爆炸能量法；当量炸药
中图分类号：TE319
 0 引言
与传统的完井、试井作业不同，现代试油、试气作业往往用一趟管柱要完成多项任务(联
作)。其中油管输送射孔（Tubing Conveyed Perforation, TCP）与地层测试器联合作业工艺技
35 术（简称射孔-测试联作技术）是目前最常用最先进的完井、试井方式，在全球陆上和海上
各油气田开发中被广泛应用。然而，近些年国内外在应用射孔-测试联作技术施工时，测试
管柱、井下测试仪器、封隔器和套管等时常发生损坏或失效[1-6]。这些井下作业事故轻者影
响油气井投产时间，重者致使油气井完全报废。
众所周知，射孔完井主要依靠聚能射孔弹爆炸后形成的高速金属射流贯穿套管后在岩层
40 中侵彻出供油气渗流的通道。然而，石油射孔弹主装炸药的能量并不会完全转化为高速金属
射流用于贯穿套管和侵彻岩石所需的能量，剩余的能量将以冲击波能和气泡脉动能形式作用
于测试管柱、封隔器和套管。早在上世纪末，美国哈利伯顿能源服务集团(Halliburton Energy
Services, Inc)的工程师们在开发射孔设计软件（PerfPro® Perforating Design Software）时
 就注意到了射孔弹爆炸后在射孔液中产生的冲击波能和气泡脉动能，并将二者之和称为射孔
45 剩余能量。他们认为[7-9]：射孔剩余能量的大小与射孔弹类型、射孔枪类型及其它条件有关，
大概为射孔弹装药总能量的25～75%，但并没有对其进行深入测试，在开发射孔设计软件
时，将其设置为40%。
本文对射孔弹井下爆炸过程及能量转换进行了理论分析，并应用水下爆炸能量测试法对
三种常用的高温型射孔弹的射孔剩余能量进行了研究，获得了其井下射孔剩余能量的当量炸
50 药质量，为准确预测该类型射孔弹射孔完井时在射孔段中形成的压力波的强度及其冲击破坏
效应奠定了基础。
1 理论分析
1.1 石油射孔弹井下爆炸过程及作用效果
在射孔-测试联作技术施工作业中，射孔弹连同测试管柱被放入井中，坐封封隔器后，
55 形成由人工井底、套管、油管柱和封隔器构成的相对封闭的射孔井段。射孔弹在封闭射孔井
段中发生爆炸，其主要爆炸过程和作用效果为：
（1）射孔弹被引爆后，金属药型罩首先受到炸药爆轰波压缩作用后形成高速金属射流，
进而射流贯穿射孔枪、套管和水泥环，并在岩层中形成油气渗流通道。
（2）在形成高速金属射流的同时，射孔弹外壳在炸药爆轰波作用下破裂形成高速破片，
60 并伴随着爆炸冲击波对射孔枪体产生强烈的冲击作用。但由于金属射流在射孔枪管上侵彻而
形成的孔洞具有泄压作用，从而使得射孔枪体不会发生过度塑性变形或损坏。
（3）射孔弹爆炸后，将在射孔液中形成由冲击波和气泡脉动构成的压力波，该压力波
主要沿井筒轴向传播，对射孔管柱、封隔器和套管等产强烈的冲击作用，可能会导致测试管
柱发生塑性弯曲变形、封隔器坐封失效、套管出现“腰鼓型”膨胀变形等，从而造成严重的
65 射孔完井作业事故。与此同时，该压力波也会通过射孔通道对地层产生一定的压裂作用。
1.2 石油射孔弹井下爆炸能量转换
射孔弹在井下发生爆炸的同时，射孔弹主装炸药的能量也随之发生转换，其能量转换关
系可以表示为：
T J I R L E = E + E + E + E （1）
式中， T E 为聚能射孔弹主装炸药总能量； J E 为形成的高速金属射流所耗费的能量； I 70 E
为射孔弹外壳体破裂形成高速破片及对射孔枪管产生冲击作用所耗费的能量； R E 为射孔弹
爆炸后在射孔液中形成的压力波能； L E 为其它热损失。当不考虑热损失时，冲击波能量及
气泡脉动能量R E 可以表示为：
R T J I E = E − E − E （2）
从能量转换的时间顺序上来说， R E 要滞后于J E 和I E ，即R 75 E 是形成高速金属射流、
高速破片及对射孔枪体产生冲击作用之后剩余的能量。因此，本文将R E 定义为石油射孔弹
射孔剩余能量。当射孔弹类型、主装炸药类型和质量、射孔枪类型等参数确定后，射孔弹的
射孔剩余能量就是确定的，不会因射孔枪外介质的变化而变化。
根据前面的分析知，射孔弹在井下爆炸后，在射孔液中形成的压力波将对射孔管柱、封
80 隔器和套管等产生冲击作用，可能导致其损坏或失效。众所周知，压力波的冲击破坏效应与
 其强度和作用时间成正比。而压力波的强度和作用时间取决于其能量大小，即射孔弹井下爆
炸剩余能量的大小。因此，在射孔-测试联作技术施工过程中，射孔剩余能量是导致测试管
柱、封隔器和套管发生损坏或失效的能量源头。如果射孔剩余能量过大，则可能会导致测试
管柱、封隔器和套管发生损坏或失效。为了保证测试管柱、封隔器和套管的安全，对射孔剩
85 余能量进行定量测量和理论估算就显得尤为重要。
1.3 射孔弹井下爆炸作用过程的简化
射孔弹在井下被引爆后，其射孔剩余能量将在射孔液中产生由冲击波和气泡脉动组成的
压力波。而该瞬态压力波实际上是由一部分射孔弹主装炸药爆炸后所形成的。换句话说，瞬
态压力波的形成与高速金属射流形成及侵彻、聚能射孔弹壳体破裂、炸药爆炸对射孔枪体的
90 冲击作用等无关。因此，如果只关注射孔弹爆炸后在射孔段中形成的瞬时压力场及其对测试
管柱、封隔器和套管的冲击破坏效应时，可以将射孔完井作业过程简化为普通炸药装药在射
孔液中的爆炸过程，如图1 所示。从图中可以看出，带射孔枪的射孔弹被一定质量的球形炸
药装药所代替，而单个球形炸药装药所具有的能量与单个射孔弹的射孔剩余能量相等，该球
形炸药装药的质量即为单个射孔弹射孔剩余能量的当量炸药质量。
95
图1 射孔弹井下爆炸过程的简化
Fig.1 Simplification of perforators’ explosion with guns
1.4 水下爆炸能量法与Cole 公式
100 由于军事上需要，人们对TNT、RDX、HMX 等高能烈性炸药装药的爆炸能量问题进行
了大量的实验研究，其中最常用和最成熟的实验研究方法是水下爆炸能量测试法，其基本方
法和原理为：当炸药装药在水中爆炸后，在水中传播的冲击波和气泡脉动波，利用置于水中
的爆炸压力传感器可以测试出这两个波随时间变化的历程，经电缆传输到信号转换或放大、
采集分析、计算处理系统，就能够得到炸药装药的冲击波能、气泡脉动能和总能量等参数。
105 对于炸药装药水中爆炸来说，其水中爆炸自由场超压Pm 的理论计算方法有多种，但应
用最多、且被实验验证最有效的是Cole 公式[10]：
P 52.27(W1/ 3 / R)1.13 m = （3）
式中：Pm 为冲击波压力峰值，MPa；W 为TNT 炸药质量，kg；R 为距爆心距离，m。
 式中：Pmi 为其他炸药水下爆炸冲击波压力峰值，MPa；Qi 为所用炸药的爆热，kJ/kg；
QT 为TNT 炸药的爆热，kJ/kg。 应用Cole 公式可以比较准确的计算出一定质量炸药装药在
水中爆炸后的压力场峰值。与此同时，如果已知了距爆心一定距离上的爆炸超压，也可以反
推出其炸药装药质量。
115 2 射孔剩余能量实验研究
2.1 实验方法
在本文中，应用水下爆炸能量法对单个射孔弹进行水下爆炸试验测量，获得其爆炸超压，
然后根据Cole 公式反推出其水下爆炸剩余能量的当量炸药质量。由于射孔液通常都是以水
溶液为主，其物理特性与水极为接近。因此，可近似认为射孔弹水下爆炸剩余能量与其井下
120 射孔剩余能量相等，而射孔弹水下爆炸剩余能量的当量炸药质量即为其井下射孔剩余能量的
当量炸药质量。
本文实验研究主要针对由某射孔器材公司生产的73 型、89 型和102 型三种常用高温型
射孔弹，其主装炸药均为HMX，主装炸药质量分别为18g、25g 和32g。爆炸试验水池直径
为2.0m，水深2.7m。试验测量时，将装有射孔弹的射孔枪或射孔弹，以及3 只水下爆炸压
125 力传感器按照如图2(a)所示的位置布置在定位支架上。其中1 号传感器距离射孔弹（装药）
爆心0.6m，2 号和3 号传感器距离爆心0.8m，1 号和2 号传感器处于同一直线上，测点1、
测点2 和测点3 之间的夹角为60 度，射流方向为其角平分线方向。爆炸试验水池、传感器
现场布置情况如图2(b)所示。
130 (a) (b)
图2 射孔器及传感器布置情况
Fig.2 The layout of perforators (charge) and sensors
试验测量时所需的主要仪器设备和试验器材如下：
135 （1）2 只138A51 型和1 只138A26 型水下爆炸压力传感器；
（2）DPO4034 泰克存储示波器；
（3）计算机；
（4）F482A51 恒流源、放炮线、数据传输线、起爆器、触发互感器等；
 （5）试验用射孔弹及射孔枪，如图3 所示；
140 （6）对比用HMX 裸药柱；
（7）起爆雷管、导爆索；
（8）定位支架。
145 图3 试验用射孔弹和射孔枪
Fig.3 Perforators and perforating guns for testing
2.2 实验结果及分析
通过现场试验测量，并对实测数据进行处理后，获得不同测点处的射孔弹水下爆炸超压
150 值，见表1。
表1 炸药装药和射孔弹的水下爆炸超压
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