帶電纜防燒裝置高能氣體壓裂串

孫海軍，周紹民

（黑龍江華安民爆器材有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾161000）

0 引 言

油井單獨(dú)壓裂普遍采用電纜輸送的方式。高能氣體壓裂普遍存在著嚴(yán)重?zé)g電纜的問(wèn)題。電纜上竄會(huì)造成電纜打結(jié)、掉彈、卡彈等事故的發(fā)生。為解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出了許多抑制或緩解對(duì)策，如把電纜輸送壓裂作業(yè)工藝改為油管輸送壓裂、控制壓井液液面高度、采用向上或斜向上排氣法、在彈尾加輜重物法、機(jī)械安全制動(dòng)法等方法。上述方法操作復(fù)雜，難度大，效果不是特別明顯，況且也不能解決燒蝕電纜的問(wèn)題。本文提出的電纜防燒裝置成功解決了上述問(wèn)題。

1 電纜防燒解決方法

1.1 增加主裝藥與電纜的距離

采用電纜輸送壓裂彈施工方式主要的難點(diǎn)是電纜上竄以及電纜被燒壞，前者可以通過(guò)在地面做好有效固定解決；后者在國(guó)內(nèi)一直沒(méi)有解決。由于壓裂彈在井內(nèi)燃燒后產(chǎn)生大量的高溫高壓氣體，該氣體推動(dòng)井內(nèi)液體向上移動(dòng)，甚至噴出井口數(shù)米高。一旦采用大藥量壓裂彈施工，只能是一炮一剁電纜，井下落物經(jīng)常發(fā)生，因此，該項(xiàng)工藝沒(méi)有大量推廣。為解決電纜上竄及電纜被燒壞這一難題，采用加大壓裂彈主裝藥與電纜的距離，且在主裝藥與電纜接頭之間增加防燒裝置的辦法。防燒裝置一端與主裝藥上面的點(diǎn)火結(jié)構(gòu)連接，另一端與電纜接頭連接（見圖1、圖2、圖3所示）。電纜接頭一端的螺紋直接與電纜輸送用的馬龍頭螺紋連接；電纜導(dǎo)出的電線通過(guò)防燒裝置連接到點(diǎn)火結(jié)構(gòu)上，構(gòu)成點(diǎn)火通路。

1.2 防燒裝置

防燒裝置采用特制的防燒材料加工，并通過(guò)多次上井施工。該防燒結(jié)構(gòu)在井內(nèi)施工時(shí)可保證不打結(jié)、打扭、不變形遇卡，并且可多次重復(fù)使用。防燒裝置長(zhǎng)度可根據(jù)井況和壓裂彈藥量而定，其上連接電纜接頭，其下連接全封閉的點(diǎn)火結(jié)構(gòu)。

2 點(diǎn)火結(jié)構(gòu)及作用原理

2.1 點(diǎn)火結(jié)構(gòu)和點(diǎn)火方式

點(diǎn)火結(jié)構(gòu)（見圖3）由提環(huán)、密封塞、端蓋、壓蓋、絕緣墊圈、彈簧、殼體、螺釘、雷管或電點(diǎn)火頭、導(dǎo)爆索或者黑火藥、扶正器及轉(zhuǎn)換接頭等構(gòu)成。

該點(diǎn)火結(jié)構(gòu)有2種點(diǎn)火方式：①電雷管引爆導(dǎo)爆索方式；②電點(diǎn)火頭引燃黑火藥方式。

2.2 點(diǎn)火機(jī)理

電雷管最終目的是可靠引爆下級(jí)爆炸元件，如導(dǎo)爆索、傳爆管等，以實(shí)現(xiàn)爆轟能量的有效傳遞。電雷管引爆導(dǎo)爆索的點(diǎn)火方式在油氣井完井作業(yè)中廣泛應(yīng)用。導(dǎo)爆索按照SY／T6411－1999標(biāo)準(zhǔn)［1］要求，以黑索金或奧克托金為藥芯，纖維作包覆物，一般藥量為18g／m左右。由于導(dǎo)爆索的爆速高，爆壓大的特點(diǎn)，在該點(diǎn)火結(jié)構(gòu)中需控制其長(zhǎng)度（見圖3），導(dǎo)爆索太短，爆轟瞬間壓力無(wú)法將壓裂彈中的點(diǎn)火主裝藥點(diǎn)燃；導(dǎo)爆索長(zhǎng)度超過(guò)芯管左端面，導(dǎo)爆索爆轟瞬間產(chǎn)生的沖擊波會(huì)將芯管炸裂而發(fā)生掉藥現(xiàn)象，無(wú)法完成壓裂。

另一種點(diǎn)火方式是電點(diǎn)火頭引燃黑火藥方式，通電后，電點(diǎn)火頭點(diǎn)燃黑火藥產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)庠冱c(diǎn)燃下面芯管中的點(diǎn)火主裝藥。

2.2.1 黑火藥藥量的確定

（1）黑火藥是否能將壓裂彈芯管中的點(diǎn)火主裝藥點(diǎn)燃與點(diǎn)火主裝藥所需點(diǎn)火壓力pb有關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)確定的pb值與點(diǎn)火空間可推算出黑火藥的藥量。在計(jì)算藥量之前需計(jì)算出點(diǎn)火空間的容積V值。

（2）點(diǎn)火結(jié)構(gòu)中金屬管件的強(qiáng)度值由黑火藥及點(diǎn)火主裝藥燃燒時(shí)產(chǎn)生的壓力pm（20℃）決定。計(jì)算壓力公式［1］

式中，p′m為計(jì)算壓力即在極值情況下，t＝50℃，t＝20℃壓力系數(shù)值；kp取1.1～1.2。

式中，σt為切向應(yīng)力；σz為軸向應(yīng)力；σr為徑向應(yīng)力。截面取法見圖4。按第4強(qiáng)度理論［2］相當(dāng)應(yīng)力

圖4 金屬件截面

強(qiáng)度條件為

式中，［σ］為所選材料的許用應(yīng)力。

（3）黑火藥藥量的計(jì)算。為了使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，假設(shè)點(diǎn)火結(jié)構(gòu)內(nèi)的空間為密閉爆炸容器，按照密閉爆炸發(fā)生器的計(jì)算公式［3］

式中，pb為火藥爆轟產(chǎn)生的壓力；f為火藥力，即每公斤火藥做功的能力；α為余容；Δ為火藥裝填密度，有

式中，ω為火藥質(zhì)量；V為火藥室體積。

將式（6）代入式（5），即可求出黑火藥質(zhì)量ω。有

通過(guò)理論計(jì)算可以確定出點(diǎn)火結(jié)構(gòu)內(nèi)的黑火藥和點(diǎn)火主裝藥的藥量［4］。

2.2.2 點(diǎn)火結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

圖5 點(diǎn)火結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

通過(guò)理論計(jì)算得出的藥量進(jìn)行點(diǎn)火結(jié)構(gòu)裝配。在點(diǎn)火結(jié)構(gòu)下端裝配一發(fā)帶有火藥束的芯管；芯管內(nèi)裝配點(diǎn)火主裝藥（其結(jié)構(gòu)見圖5）。將點(diǎn)火結(jié)構(gòu)分別在－30℃和30℃的1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下進(jìn)行電點(diǎn)火試驗(yàn)，考核芯管外的火藥束是否被點(diǎn)燃。

3 壓裂彈和夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓裂彈的結(jié)構(gòu)可采用圓柱式、開槽式、梅花式等多種結(jié)構(gòu)。每種結(jié)構(gòu)的選擇可根據(jù)井況確定。開槽式壓裂彈的燃燒速度快，瞬間產(chǎn)生的壓力高；圓柱式壓裂彈的燃燒速度略慢，但產(chǎn)生壓力可持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；梅花式壓裂彈介于圓柱式和開槽式中間。

根據(jù)井況，射開層處采用帶點(diǎn)火主裝藥的壓裂彈，對(duì)射開層處進(jìn)行壓裂、造縫。而夾層處則用芯管內(nèi)裝填點(diǎn)火主裝藥，起傳火作用，夾層用芯管之間的連接與上述的多個(gè)壓裂彈的連接方式相同。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工

帶電纜防燒裝置的高能氣體壓裂串由電纜接頭、防燒裝置、點(diǎn)火結(jié)構(gòu)和壓裂彈構(gòu)成（其結(jié)構(gòu)見圖6）。該產(chǎn)品從2006年到2011年分別在海拉爾油田、大慶油田進(jìn)行了多井次的應(yīng)用。

圖6 整體結(jié)構(gòu)施工

通過(guò)多井次的施工和工藝改進(jìn)，該產(chǎn)品的施工工藝已成熟完善。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際12口井45井次應(yīng)用，沒(méi)有發(fā)生電纜燒蝕和井下落物，成功率達(dá)到了100%。表1為海拉爾部分井施工前后試井?dāng)?shù)據(jù)。

表1 試井?dāng)?shù)據(jù)

5 結(jié) 論

帶電纜防燒裝置的高能氣體壓裂串經(jīng)過(guò)上井施工，尤其是在在海拉爾油田的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，先后在呼和諾仁油田、蘇德爾特油田、貝16斷塊等3個(gè)區(qū)塊油田完成了多口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好的效果。

（1）零部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，原材料貨源充足，且價(jià)格低廉。

（2）點(diǎn)火結(jié)構(gòu)可靠、安全，點(diǎn)火成功率可達(dá)100%。

（3）帶防燒裝置的高能氣體壓裂串在施工時(shí)避免了井下落物的發(fā)生，減少了輸送電纜的損耗，并且可操作性強(qiáng)。

［1］ SY／T6411－1999標(biāo)準(zhǔn).油氣井用導(dǎo)爆索通用技術(shù)條件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：石油工業(yè)出版社，1900.

［2］ 魏惠之，朱鶴松.彈丸設(shè)計(jì)理論［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985.

［3］ 華東工程學(xué)院一O三教研室.內(nèi)彈道學(xué)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1978.

［4］ 鮑弘人，王德佩.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1963.