Trung tâm Khoa học kỹ thuật công nghệ quân sự
Viện thuốc phóng thuốc nổ

đề tài cấp nhà nớc
mã số: đtđl 2004/08
báo cáo TổNG KếT đề tài

Tên đề tài:
Nghiên cứu thiết kế chế thử
súng, dây nổ và đạn bắn vỉa phục vụ
khai thác dầu khí

Chủ nhiệm đề tài
Đại tá-PGS-TS Nguyễn Công Hoè

6755
12/3/2007
Ngày tháng năm 200
Cơ quan chủ quản 2

Mục lục

Trang Đặt vấn đề
6
Chơng I Tổng quan
7
1.1 Bắn nổ trong giếng khoan dầu khí 7
1.1.1 - Khái niệm và các phơng pháp bắn nổ trong giếng khoan dầu khí 7
1.1.2 - Cấu tạo và các đặc điểm đối với các thiết bị bắn nổ mìn 11
1.1.2.1- Súng 12
1.1.2.2- Đạn bắn vỉa 15
1.1.2.3- Dây nổ 20
1.1.2.4- Kíp nổ 21
1.2- Khảo sát các yếu tố ảnh hởng đến chiều dài dòng xuyên
23
1.2.1- Quá trình hình thành dòng xuyên 23

47
2.4- Phơng pháp đánh giá khả năng xuyên của đạn bắn vỉa trên bia bê
tông.
48
2.5- Thiết bị, dụng cụ, hoá chất sử dụng trong nghiên cứu chế thử. 49
Chơng III- Kết quả nghiên cứu và biện luận.
51
3.1- Nghiên cứu thiết kế chế tạo đạn bắn vỉa 3.3/8 và 5. 51
3.1.1- Nghiên cứu về vật liệu nhồi. 51
3.1.1.1- Lựa chọn thuốc nổ đơn chất. 51
3.1.1.2- Lựa chọn chất phụ gia. 55
a- Phụ gia chống tĩnh điện. 57
b- Phụ gia giảm nhạy và tăng khả năng chịu nén ép. 58
3.1.1.3-ảnh hởng của hàm lợng phụ gia.
58
3.1.1.4- Nghiên cứu ảnh hởng của một số yếu tố công nghệ lên tỷ trọng và
các thông số kỹ thuật của đạn bắn vỉa.
62
a- Nghiên cứu ảnh hởng của cỡ hạt thuốc nổ HMX đến mật độ rắc của thuốc
nổ.
62

4
b- Nghiên cứu ảnh hởng của áp suất ép lên tỷ trọng. 64
c- Nghiên cứu ảnh hởng của thời gian lu áp. 64
d- Nghiên cứu công nghệ đa phụ gia grafit vào thuốc nổ HMX. 65
e- Nghiên cứu đa phụ gia silicon và chất đóng rắn vào thuốc nổ HMX 66
f- Nghiên cứu công nghệ tạo hạt thuốc nổ HMX. 67
3.1.1.5- Tiến trình công nghệ chế tạo thuốc nổ cho đạn bắn vỉa. 69
3.1.2- Nghiên cứu thiết kế chế tạo vỏ đạn. 70

3.2.3.1 Giải bài toán thiết kế súng bắn vỉa 3.3/8 3m và 6m 109
3.2.3.2 Giải bài toán thiết kế súng bắn vỉa 4.1/2 3m và 6m 112
3.2.4 Chọn phơng án bịt kín súng 114
3.2.5 Kết quả chế tạo và thử nghiệm súng bắn vỉa 115
Kết luận cho súng bắn vỉa
117
3.3 Nghiên cứu, thiết kế, chế thử dây nổ chịu nhiệt 118
3.3.1 Khảo sát kết cấu và một số thông số dây nổ của một số hãng nớc
ngoài
118
3.3.2 Lựa chọn thuốc nổ, công nghệ tạo hạt và chọn cỡ hạt để phối trộn 121
3.3.3 Nghiên cứu chọn sợi và tết sợi lõi 126
3.3.4 Nghiên cứu lựa chọn và xây dựng quy trình công nghệ bọc nhựa 128
3.3.5 Tiến hành chế thử 132
Kết luận cho dây nổ chịu nhiệt
142
Kết luận chung của đề tài và kiến nghị
143
Tài liệu tham khảo
144
6

Đặt vấn đề


chơng I
Tổng quan
1.1 Bắn nổ trong giếng khoan dầu khí
1.1.1 Khái niệm và các phơng pháp bắn nổ trong giếng khoan dầu khí
Theo sách chuyên khảo giếng khoan dầu khí có cấu tạo nhiều lớp [4]:
-Phía trong gồm các ống thép đặc biệt có
chiều dày thành ống khoảng 10mm đợc
nối với nhau bằng các khớp nối đợc gọi
là ống chống (Hình 1.01).
-Thông thờng ở đáy giếng khoan có một
lớp ống chống. Càng lên cao thì số lớp
ống chống càng tăng lên. ở lớp trên cùng
có thể sử dụng đến 3 lớp ống chống.
Đờng kính của ống chống trong cùng
khoảng 112 mm. Bên ngoài các lớp ống
chống là lớp xi măng và sau đó là vỉa đất
đá (Hình 1.01). Hầu hết các giếng khoan
nằm theo phơng thẳng đứng, tuỳ trờng
hợp đặc biệt có thể khoan nghiêng và
cũng có đoạn khoan nằm ngang.
Chiều sâu của giếng khoan có thể
đến hàng nghìn mét. Thông thờng ở các
giàn giếng khoan ở ngoài khơi nớc ta là
4000-5000 m

1 - Thiết bị bắn 2 ống chống
3 Lớp xi măng 4 - Đất đáHình 1.01: Sơ đồ mặt cắt giếng khoan

Trong quá trình khai thác dầu khí do nhiều nguyên nhân hiệu suất dòng dầu
chảy từ vỉa vào giếng thờng xuyên giảm dần nên ngời ta phải tiến hành mở vỉa
lại bằng cách bắn, nổ.
- Khi kết thúc khai thác một giếng khoan:
Khi giếng khoan không còn ý nghĩa trong khai thác (vỉa đã hết dầu khí) ngời
ta huỷ giếng bằng phơng pháp nổ cắt phần ống giếng không xi măng hoá để lấy
lên và tái sử dụng lại.
Tóm lại: Bắn nổ trong khai thác dầu khí đợc ứng dụng khá đa dạng do đó
chủng loại súng và đạn cũng rất đa dạng phù hợp với mục đích ứng dụng của nó.

9
Các phơng pháp bắn nổ trong giếng khoan:

* Bắn đục lỗ
Bắn đục lỗ là phơng pháp sử dụng các loại thiết bị đạn chuyên dụng bắn
đục lỗ các lớp ống chống, lớp xi măng sau ống chống vào vỉa đất đá nhằm mở vỉa
dầu khí [3,4,9].
Phơng pháp bắn đục lỗ có thể chia làm 2 dạng: bắn đục lỗ thả bằng cáp và
bắn đục lỗ thả bằng cần khai thác.
a) Bắn đục lỗ thả bằng cáp [16, 19]
Các thiết bị đục lỗ đợc thả xuống giếng khoan bằng cáp địa vật lý, gây nổ
bằng xung điện và thả bắn từng súng (hoặc lend) một.
Bắn đục lỗ thả bằng cáp có 2 loại chính: loại bắn bằng súng (vật liệu nổ nằm
trong ống kín) và loại bằng len (vật liệu nổ lắp trên lend)
- Loại bắn bằng súng.
Các loại súng đợc chế tạo bằng loại thép chịu đợc áp suất từ 800-1400
atm, có loại súng đợc khoét lỗ sẵn nh loại P-85-105, có loại khoét một phần
nh loại Baracuda 3
3/8
, 5

Chiều dài tối đa cho một lần thả bắn bằng 2/3 chiều cao của tháp khoan. Mật độ lấp
đạn từ 6 đến 15 v/m.
b) Bắn đục lỗ thả bằng cần khai thác (TCP)
Các thiết bị đợc thả xuống giếng khoan bằng cần khai thác, kíp mìn đợc
gây nổ bằng va đập (xà beng) hoặc bằng áp suất, bắn một lần cả một tập hợp vỉa,
trong giếng dung dịch đợc thay bằng dầu thô, bắn xong khai thác ngay [15]. Khi
bắn xong phải cắt bỏ toàn bộ thiết bị xuống đáy giếng, do vậy giếng khoan cần
phải khoan thêm một khoảng chiều dài đủ để bộ thiết bị mìn nằm ở đó. Các loại vật
liệu nổ đợc lắp vào trong súng. Các súng đợc nối với nhau bằng các đầu nối
trung gian có lắp các bộ nối dây nổ. Các loại vật liệu nổ của TCP phải chịu đợc
nhiệt độ tối đa của giếng khoan trong thời gian 100 giờ. Bộ thiết bị mìn TCP phía
trên cùng thờng lắp các bộ phận nh ống an toàn, đầu lắp kíp, bộ hạn chế, bộ thải
mùn, bộ chống xóc, van khai thác và một số thiết bị khác của bộ phận khai thác
nh cần bù nhiệt, packer. Phía dới cùng của bộ thiết bị mìn TCP có thể bịt kín
hoặc lắp bộ kíp áp suất. Tốc độ thả bộ thiết bị TCP là 1500 m/h.
* Nổ mìn trong giếng khoan
Là phơng pháp sử dụng một khối chất nổ hoặc các thiết bị mìn chuyên dụng
thả xuống giếng khoan nhằm mục đích bắn cứu các sự cố nh kẹt cần khoan, ống
chống (bắn rung, bắn tháo trái, bắn cất cần, bắn phá choòng khoan), bắn packer đổ
cầu xi măng, bắn ép hơi gây nứt nẻ sâu, bắn làm sạch vỉa.
Các loại thiết bị thờng dùng:

11
- Bắn rung hoặc tháo trái: sử dụng các loại dây nổ, kíp nổ chịu nớc, chịu áp
suất nh Primacord, DSU-33
- Bắn cất sử dụng các loại mìn phá nh S-35-43-56, loại mìn cất định
hớng ngang nh TPK-55-68-110-135, loại cất dọc nh Splipsoht, loại bắn cất cần
nâng nh Drill collar severing tool đờng kính 43 hoặc 51 mm, loại bắn phá
choòng khoan nh TKO, loại bắn packer đổ cầu xi măng ngăn cách nh VPS, VP-3.
Để gây nứt nẻ sâu, làm sạch vỉa, tăng lu lợng khai thác có thể kết hợp bắn mìn

và chịu đợc áp lực. Theo cấu tạo của khoang chứa đạn có thể chia thành hai loại
súng: Có thân và không thân.
+Loại có thân:
Toàn bộ đạn lõm và các phơng tiện kích, mồi nằm trong một khoang là
thân kín áp có thể kéo lên khỏi giếng sau phát bắn ( hình 1.02 ).
+Loại không có thân:
Mỗi viên đạn đợc lắp riêng vào một lớp bọc kín áp và bị phá huỷ sau khi bắn
( Hình 1.02 ).
Trong cả hai trờng hợp có thân và không có thân đều phải chịu đợc áp suất,
nhiệt độ cao và tác động của dung dịch khoan trong giếng.
Trong đó:
Loại có thân lại chia thành hai kiểu:
- Kiểu dùng nhiều lần không bị phá huỷ sau khi bắn.
- Kiểu dùng một lần, thân bị bắn xuyên.
Loại không thân cũng gồm hai kiểu:
- Kiểu bán huỷ có thể kéo đợc khung cốt lên khỏi giếng.
- Kiểu huỷ hoàn toàn sau phát bắn.
Đạn có thể đợc lắp vào súng theo nhóm hoặc riêng từng quả.
Các bộ phận súng gồm: các chi tiết cơ khí: thân hoặc khung cốt, đầu, đuôi,
trọng vật để dẫn hớng.
Các chi tiết của phát bắn: đạn, dây nổ, kíp nổ, dây dẫn điện, các chi tiết làm
kín.
Sau đây là bản vẽ mô tả loại súng có thân và súng không có thân:

13A B C D

- Vỏ đạn: Vỏ đạn có chức năng bao chứa mồi nổ và khối thuốc nổ chính, tạo
cho chúng một cấu trúc ổn định. Vỏ thờng đợc chế tạo từ hợp kim thép chứa ít
Cácbon, khi nổ khối thuốc nổ dới tác dụng của áp suất cao vỏ bọc sẽ bị phá vụn ra
đến kích thớc xác định sao cho các mảnh đạn sau khi bắn dễ dàng rơi xuống đáy
giếng dầu, không bịt kín lỗ xuyên gây trở ngại cho quá trình tiếp theo.
Kết quả khảo sát thành phần đạn Baracuda của Mỹ (chơng 3)
- Mồi nổ: Mồi nổ thờng chế tạo từ thuốc nổ mạnh có khả năng chịu nhiệt độ
cao nh RDX có điểm nóng chảy 203,5
o
C, HMX có điểm nóng chảy 272ữ280
o
C,
HNS có điểm nóng chảy 316
o
C và PYX có điểm nóng chảy 376
o
C. Tác dụng của
mồi nổ là nhận xung nổ từ dây nổ và kích nổ khối thuốc nổ chính [6,26, 34].
- Khối thuốc nổ chính: Khối thuốc nổ chính là bộ phận chủ yếu của đạn mở
vỉa thực hiện chức năng tạo dòng xuyên phá ống chống, lớp xi măng và phá đất đá
tới vỉa dầu.
Khối thuốc nổ chính đợc tạo có hốc lõm để tạo hiệu ứng nổ lõm khi nổ. Hốc
lõm có thể hình nón (đạn Baracuda) hay hình loa kèn (đạn Innicor) của Canada với
các góc mở khác nhau.
Thuốc nổ là loại thuốc nổ mạnh có khả năng chịu nhiệt, tuy vậy cần có độ
nhạy vừa phải nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ và sử dụng.
Kết quả khảo sát thuốc nổ trong đạn mở vỉa nêu ở chơng 3;
Khi kích nổ vào khối thuốc nổ phần thuốc nổ nằm giữa vỏ đạn và phễu có tác
dụng định hớng xuyên về phía vật chắn. Năng lợng và sản phẩm của nón thuốc

0
C nh RDX, HMX, HTA, Hexanitrostilbene (HNS) và
Bis Picrylamin Dinitropyridine( PYX ) [3, 7, 21, 29].
Thuốc nổ mồi thờng đợc sử dụng cùng loại với khối thuốc nổ chính. Khả
năng chịu nhiệt độ trong thời gian kéo dài đợc dẫn trong bảng 1.02. 18
Bảng 1.01 - Một số chỉ tiêu kỹ thuật của một vài loại thuốc nổ điển hình.
N Chỉ tiêu TNT RDX HMX TN Tetryl HTA
1 Nhiệt độ nóng chảy,
0
C 80,2 204,5-205 275-280 141-142 129.5 362
2 Nhạy va đập (P=10kG,h=25cm), % 4-8 70-80 96 100 50-60 32
3 Công nổ theo con lắc xạ thuật,
%TNT
100 145 150 142 - -
4 Sức phá trụ chì, mm 16 25 25 25 19 -
5 Tốc độ nổ, m/s 7000
d=1.62
8000

0
F
0
C
1 PETN
Dây nổ, đạn lõm
210 99
Không dùng
2 RDX
Dây nổ, đạn lõm, kíp
330 166 200 93
3 HMX
Dây nổ, đạn lõm
400 204 300 149
4 HNS
Dây nổ, đạn lõm, kip
500 260 460 238

Bảng 1.03- Một số tính năng của hỗn hợp thuốc nổ
Tên

0
, g/m
3
D, m/s P, GP
RDX thuần hoá
1,680 8501 29,59
HMX thuần hoá
1,760 8822 33,57
N/HMX 40/60

100
105
110
115
0,97 0,972 0,974 0,976 0,978 0,98 0,982
Tỷ trọng thuốc
Độ xuyên sâu

20
- Phễu kim loại: Phễu kim loại ngoài tác dụng tăng chiều sâu xuyên còn có
tác dụng giữ thuốc nổ. Nghiên cứu thực tiễn cho thấy đạn lõm có phễu kim loại cho
chiều dài dòng xuyên lớn hơn nhiều khi không chứa phễu kim loại. Tính chất kim
loại, điều kiện công nghệ chế tạo, hình dạng và kích thớc phễu lót ảnh hởng rất
lớn đến khả năng xuyên của đạn bắn vỉa.
- Đạn bắn vỉa
Kết quả khảo sát hình dạng và thành phần nón hợp kim của đạn Baracuda
3.3/8, 5 trình bày trong phần tơng ứng ở chơng 3. Thành phần, công nghệ và
kích thớc của đạn có khác nhau rất lớn tuỳ theo nớc sản xuất.
1.1.2.3 Dây nổ [7, 17, 27]

Dây nổ đợc kích nổ bằng kíp nổ điện hoặc kíp nổ cơ, phi điện.
Dây nổ có hai dạng chính:
a. Dây nổ không chịu nớc, áp suất- dùng để bắn trong súng kín.
b. Dây nổ có vỏ bọc chịu nớc, chịu áp suất- dùng để bắn ngoài dung dịch.
Dây nổ đợc nối với đuôi các viên đạn, khi nổ sẽ gây nổ cho các viên đạn.
Các đặc trng kỹ thuật của dây nổ có vỏ bọc chịu nớc, chịu áp suất ( bảng 1.04 ).

Bảng 1.04- Yêu cầu với dây nổ dùng trong giếng khoan
N Tên chỉ tiêu Định mức Ghi chú
1 Đờng kính, mm. 5,6

(tham khảo)

Tên mẫu

Tốc độ
nổ
Khả năng
chịu nớc-
24h
sâu 1m
Khả năng
chịu kéo -
50kg
3 phút
Khả năng
kích nổ
bánh TNT
200g
Khả năng
chịu nóng
553
0
C
6h
Khả năng
chịu lạnh
-353
0
C
6h

Có loại ống nổ điện tử mới của hãng có thể tiến hành làm việc mà không phải
tắt sóng radio và nguồn điện, chịu đợc tác dụng hoá học của dung dịch khoan,
chịu áp suất cao và thao tác tơng tự nh các ống nổ tiêu chuẩn khác.
Các tính năng kỹ thuật của các loại ống nổ này là chịu đợc:
- Tốc độ gia tăng nhiệt đến 260
0
C/ giờ
- Tốc độ tăng áp suất đến 1000 bar
- Sử dụng thuốc gợi nổ Pb(N
3
)
2
đợc bảo vệ trong ống thép dày
- Có mã số phân loại hàng vận chuyển 1,4 S

22
b- Kíp nổ chịu nhiệt của Mỹ
Loại kíp này sử dụng hỗn hợp thuốc nổ trong chất điện ly TMAP+KP
(TetraMethyl Amoni Peclorat + Kali Peclorat ) chịu đợc tốc độ tăng nhiệt độ
260
0
C/giờ, giữ ở 315
0
C trong 200 giờ. Hầu hết các loại kíp nổ, dây nổ đều sử dụng
thuốc nổ chịu nhiệt độ cao (bảng 1.11) [7, 28].
Khi dòng xuyên tơng tác với vật cản, vật liệu của vật cản bị tách khỏi điểm
va đập theo phơng tiếp tuyến với tốc độ lớn. Một số kết luân thu đợc:
-Đờng kính của lỗ xuyên không phụ thuộc trực tiếp vào đờng kính dòng xuyên;

24
-Năng lợng cả dòng xuyên có quan hệ phụ thuộc với thể tích của lỗ xuyên;
-Đờng kính của lỗ tạo thành ở kim loại rắn (thép) nhỏ hơn ở kim loại mềm (chì);
-Tốc độ và chiều sâu dòng xuyên vào vật cản phụ thuộc ít vào độ bền của vật liệu
của bia do tại điểm dòng xuyên tác động giá trị áp suất đặt lên bia vợt xa giới hạn
chảy của phần lớn các vật liệu chế tạo bia.
Để đánh giá hiệu suất xuyên của dòng cần tính đến những thay đổi của nó nh
sự kéo dài do có sự khác nhau về tốc độ có hoặc không có sự tơng tác các phần tử
riêng biệt của dòng (dòng liên tục hoặc dòng cấu tạo từ các hạt riêng biệt) thay
đổi tỷ trọng hữu hiệu do vật cản bị phân tán. Hình 1.8- Sơ đồ xuyên vật cản của dòng xuyên lõm
Theo hình 1.8 dòng xuyên lõm có tỷ trọng c có chiều dài dòng xuyên L,
chuyển động với tốc độ Vc, khi va chạm vào vật cản tại điểm A, điểm tiếp xúc của
dòng với vật cản sẽ dịch chuyển vào chiều sâu của vật cản, còn vật liệu của vật cản
thì chạy về phía ngợc lại, quá trình sẽ kéo dài cho đến khi dòng bị tiêu hao hết.
Các tính toán cuối cùng suy ra độ sâu lỗ xuyên là:
MO
LL