射孔彈電雷管無損耗監(jiān)測方法及能量分析

鄭偉林

（中石化勝利油田孤東采油廠，山東 東營，257237）

目前，射孔彈電雷管的可靠性是石油工業(yè)關(guān)注的重要問題，一旦有雷管不起爆，將會造成無法彌補(bǔ)的損失。為了提高射孔作業(yè)的可靠性，減少誤射孔和少射孔的概率，保障油氣生產(chǎn)的正常進(jìn)行，需要對所采用電雷管的可靠性進(jìn)行試驗[1-2]。目前可靠性的監(jiān)測主要有兩種方法：一種是有損耗監(jiān)測法，由于監(jiān)測電路需要從發(fā)火電路中取用一定的能量，當(dāng)試驗過程出現(xiàn)瞎火時，就會產(chǎn)生爭議，即監(jiān)測電路從發(fā)火電路中取用的能量是否影響到電路的正常工作[3]；另外一種是無損耗監(jiān)測方法，所采用的監(jiān)測方法是非接觸式的，不再從試驗電路中取用能量，而是通過羅果夫斯基線圈[3]對電雷管發(fā)火過程中的電流曲線進(jìn)行監(jiān)測。本文在已建立的非接觸式無損耗監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對目前射孔彈采用的橋絲式電雷管和有應(yīng)用前景的沖擊片雷管，采用多種有效的措施解決了高速數(shù)據(jù)采集與瞬態(tài)信號捕捉等問題，獲取了沖擊片雷管與橋絲式電雷管的發(fā)火電流曲線，分析了電流曲線上出現(xiàn)凹點的機(jī)理，計算了電雷管的發(fā)火時間及其與發(fā)火電路的能量匹配關(guān)系，以指導(dǎo)起爆電路的設(shè)計。

1 射孔彈電雷管的無損耗監(jiān)測方法

無損耗監(jiān)測方法是指監(jiān)測電路不從起爆電路中取用能量，而是采用非接觸方式監(jiān)測電雷管起爆過程中的完整的電流曲線。目前射孔彈雷管大多采用橋絲式電雷管，但火工品技術(shù)的發(fā)展為石油射孔提供了性能更好的沖擊片雷管，這種雷管不但有很好的安全性，而且爆轟輸出對中性好，射孔孔徑和射孔深度更大。目前，雖然由于成本等問題，沖擊片雷管在射孔彈中還沒有得到具體應(yīng)用，但隨著生產(chǎn)工藝和元器件集成化的進(jìn)步，成本將會大幅度降低。沖擊片雷管在射孔彈中的應(yīng)用已進(jìn)入準(zhǔn)備階段，與之相關(guān)的可靠性試驗和監(jiān)測電路的研究也已列入議事日程。針對上述需求，本文研制了圖1所示的高速無損耗監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集電路，可同時滿足沖擊片雷管和橋絲式電雷管的監(jiān)測需求。

圖1 無損耗監(jiān)測電路Fig.1 Lossless monitor circuit

圖1所示監(jiān)測系統(tǒng)的工作過程是：在現(xiàn)場可編程陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的控制下，可控硅D1導(dǎo)通，使電源E向電容器C充電；之后，當(dāng)需要雷管發(fā)火時，F(xiàn)PGA產(chǎn)生FIR信號，使可控硅D2導(dǎo)通，電容器C向雷管DT放電。放電過程的電流信號由羅果夫斯基線圈測量，經(jīng)預(yù)處理電路進(jìn)行濾波、放大后，送A/D采樣，采集后的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor,DSP）讀取并暫存到雙端口隨機(jī)存儲器（Random Access Memory，RAM）中，待信號采集完成后，再將暫存在RAM中的數(shù)據(jù)回放到計算機(jī)。圖中其他符號的含義是：D表示數(shù)據(jù)線、A表示地址線、TRG為觸發(fā)信號、羅氏線圈指羅果夫斯基線圈。

該電路考慮了沖擊片和橋絲兩種電雷管的發(fā)火電流監(jiān)測的需求，其中沖擊片雷管的作用時間很短（約1μs），因此高速信號采集、存儲及瞬態(tài)信號的捕捉是兩個十分突出的問題。

實現(xiàn)高速信號采集和存儲的具體措施是：（1）采用了采樣間隔為25ns的A/D，該A/D在FPGA的控制下以40MHz的頻率采集發(fā)火電流信號；（2）A/D采集后的數(shù)據(jù)必須在25ns內(nèi)存儲到RAM中，電路中選用的DSP芯片的指令周期為13ns，因此只能在1個指令周期內(nèi)將A/D數(shù)據(jù)讀出并存儲到RAM中。具體實現(xiàn)方法是采用了并行指令，即讀取A/D數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)到高速RAM中的兩條指令并行執(zhí)行，從而使其可以在13ns內(nèi)將數(shù)據(jù)暫存到RAM內(nèi)，等待發(fā)火過程結(jié)束后，DSP將緩存在RAM中的數(shù)據(jù)通過RS232口傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。

瞬態(tài)信號捕捉的方法是設(shè)置預(yù)采區(qū)。由于發(fā)火過程很短，電路的采樣速度很快，雖然發(fā)火信號是由FPGA發(fā)出的，但因為DSP響應(yīng)中斷的時間為9個指令周期（約117ns），這就有可能采集不到完整的發(fā)火信號，因此不能采用中斷方式捕捉發(fā)火信號。為了解決上述問題，設(shè)置了預(yù)采區(qū)，預(yù)采區(qū)是在進(jìn)入正式采集前，為了保證從零電平開始獲取完整的發(fā)火信號而設(shè)置的采集數(shù)據(jù)的預(yù)存儲區(qū)域。由于觸發(fā)信號不可能在輸入為零的狀態(tài)下產(chǎn)生，而又希望能夠從零開始對被測信號進(jìn)行采集和存儲，采取的辦法是：對存儲器設(shè)置預(yù)采存儲區(qū)域，測試系統(tǒng)一上電就處于信號采集階段，但采集到的數(shù)據(jù)總是記錄在一段較小的存儲區(qū)域，該存儲區(qū)域的長度為N＝1 024，采樣間隔為25ns，則每隔5×1 024＝5.12μs刷新1次該存儲區(qū)域，在觸發(fā)信號出現(xiàn)前總是不停地對預(yù)采區(qū)進(jìn)行重復(fù)記錄。這樣，觸發(fā)信號總是出現(xiàn)在預(yù)采區(qū)，當(dāng)DSP以單指令周期讀取并存儲A/D數(shù)據(jù)的方式查詢到觸發(fā)信號后，不再對預(yù)采區(qū)重復(fù)記錄，而是從現(xiàn)有記錄點開始，對以后的全部存儲區(qū)域進(jìn)行存儲，這樣就不會丟失信息了。

2 射孔彈電雷管的發(fā)火時間和發(fā)火電流

應(yīng)用圖1的電路，采用羅果夫斯基線圈，以非接觸方式獲取了橋絲式電雷管發(fā)火過程中的電流曲線，如圖2所示。

圖2 發(fā)火電流信號Fig.2 Fire current signal

圖3 發(fā)火時間Fig.3 Fire time

從圖2曲線的數(shù)據(jù)序列中，可以查看到在最大值之后的下降段有一個下凹的部分，其放大后的圖形如圖3所示，該下凹點對應(yīng)的時間為t0=112.7μs，電流為I0=0.144A。

沖擊片雷管的起爆過程也有類似的特性，其t0和I0值如表1所示，所用橋箔細(xì)腰處的長、寬相同，均為1mm，橋箔厚度d不同。

表1 沖擊片雷管的發(fā)火時間和電流Tab.1 Fire time and current of slapper detonator

表1中所述凹點位置出現(xiàn)在上升段和下降段的電流曲線如圖4所示。

曲線上的凹點代表電火工品的橋路狀態(tài)發(fā)生了變化。當(dāng)發(fā)火電流施加到橋路上后，橋絲式電雷管的橋絲或沖擊片雷管的橋箔的電阻值是動態(tài)的，能量的積累將使其導(dǎo)電方式由電子導(dǎo)電轉(zhuǎn)換為離子導(dǎo)電，這就導(dǎo)致了所述凹點的出現(xiàn)，從電路特性來說，該凹點所對應(yīng)的時間就是起爆時間。

圖4 沖擊片雷管發(fā)火電流曲線Fig.4 Fire current curve of slapper detonator

橋箔或橋絲的動態(tài)電阻率ρ[g(t)]可表示為[4]：

其中：

式（1）～（3）中：Cs為橋絲和橋箔的橫截面積；V0為發(fā)火電路中電容器的初始電壓；L為電路的總電感；A、B、g0、S0、K、P均為實驗確定的系數(shù)，文獻(xiàn)[4-5]給出了具體的實驗值。但需要注意的是，本文中式（3）所述動態(tài)參數(shù)g（t）是流過橋箔或橋絲的總能量，而參考文獻(xiàn)中所述的動態(tài)因子是單位橫截面積的總能量，由式（1）計算動態(tài)電阻率時，需要對式（2）中的S0進(jìn)行修正，即是修正系數(shù)。

當(dāng)式（3）中的積分上限t=t0時，動態(tài)參數(shù)g(t)=g0[5]。由式（1）可見，這時電阻率出現(xiàn)了極值，因而在電流曲線上也就出現(xiàn)了前面所述的凹點。需要說明的是：出現(xiàn)了凹點后，雖然橋路的導(dǎo)電方式發(fā)生了改變，但導(dǎo)電通道仍然是存在的，發(fā)火電流并不是突然回到0。

3 能量匹配關(guān)系

由帕薩爾瓦爾（Pasevar）定理可知，式（3）實際上是代表了橋箔或橋絲上的能量，當(dāng)t=t0時，對應(yīng)的g0代表的是發(fā)火能量。發(fā)火時間t0是由能量的積累過程確定的，對欠阻尼系統(tǒng)，振蕩過程中的反向電流與正向電流的貢獻(xiàn)是相同的。不論起爆電路是否是欠阻尼系統(tǒng)，由式（3）對電流積分并積分到t=t0時，所對應(yīng)的能量就是有效的發(fā)火能量。當(dāng)發(fā)火電路中電容器儲存的能量和發(fā)火電路的參數(shù)確定后，g0表示了電雷管發(fā)火的難易程度。表1所示5種不同厚度的橋箔可由式（3）計算出發(fā)火能量g0和全部發(fā)火電流所對應(yīng)的總能量gA，如表2所示。

表2 發(fā)火能量與電路參數(shù)Tab.2 Fire energe and the circuit parameter

表2中還同時給出了發(fā)火電路的電容值C、電容器的初始電壓V0、電容器儲存的能量E以及g0與gA的比值。由表2可見：（1）即使是相同的發(fā)火電路和相同的橋箔材料，由于橋箔的厚度不同，發(fā)火能量g0、總能量gA也不同；（2）橋箔尺寸不同電流曲線的阻尼狀態(tài)也會有所不同，圖3中給出的兩條電流曲線分別對應(yīng)于表2中序號為1、3的兩種橋箔。對5種橋箔的計算結(jié)果還表明，只有表2中序號為1的橋箔的電流曲線為過阻尼狀態(tài)，其余橋箔的電流曲線均為欠阻尼狀態(tài)。（3）發(fā)火能量g0越小，說明電雷管越容易發(fā)火，反之，則越不容易發(fā)火。（4）處于同一阻尼狀態(tài)下的發(fā)火能量g0與總能量gA比值差異不明顯，但兩種不同阻尼狀態(tài)下的比值差異很大。

4 結(jié)論

研制了一種電火工品發(fā)火過程無損耗監(jiān)測電路，采用高速硬件電路與并行指令相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了持續(xù)時間為微秒級的發(fā)火信號的采集，并通過設(shè)置預(yù)采區(qū)域的方法，實現(xiàn)了瞬態(tài)信號的捕捉。橋絲式電雷管和沖擊片雷管的試驗情況表明，該無損耗監(jiān)測系統(tǒng)有良好的實用性。

分析了橋絲式電雷管和沖擊片雷管的發(fā)火機(jī)理，計算了發(fā)火能量和發(fā)火時間，得出的主要結(jié)論是：發(fā)火能量是由電流所表示的時間域上的能量積累而確定的，當(dāng)能量積累到一定程度時，橋路的導(dǎo)電狀態(tài)將發(fā)生變化，對應(yīng)的電流曲線上將出現(xiàn)凹點，該點所對應(yīng)的時間就是電雷管的發(fā)火時間，該時間之前的能量就是發(fā)火能量。對相同的發(fā)火電路，該能量越小，表示電雷管越容易發(fā)火，反之易然。

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