編碼式多級(jí)點(diǎn)火分簇射孔技術(shù)

劉 騰，慕光華，成隨牛，賀紅民，趙雙慶，林澤凱，劉 楊

(中國石油集團(tuán)測井有限公司 陜西 西安 710077)

·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

編碼式多級(jí)點(diǎn)火分簇射孔技術(shù)

劉 騰，慕光華，成隨牛，賀紅民，趙雙慶，林澤凱，劉 楊

(中國石油集團(tuán)測井有限公司 陜西 西安 710077)

多級(jí)點(diǎn)火分簇射孔技術(shù)是復(fù)合橋塞-分簇射孔工藝技術(shù)中十分重要的技術(shù)環(huán)節(jié)之一。多級(jí)點(diǎn)火分簇射孔技術(shù)主要控制復(fù)合橋塞的點(diǎn)火座封和多簇射孔器的分級(jí)點(diǎn)火起爆。為了實(shí)現(xiàn)選發(fā)射孔，往往采用編碼式電子開關(guān)來控制點(diǎn)火，這樣就大大提高了施工作業(yè)的安全性和成功率。

多級(jí)點(diǎn)火，選發(fā)射孔，編碼式電子開關(guān)

0 引 言

多級(jí)點(diǎn)火分簇射孔技術(shù)是利用單芯電纜將串接在一起的多個(gè)射孔器下放到井內(nèi)預(yù)定位置后，根據(jù)井下射孔層段要求，從底部開始逐層進(jìn)行分級(jí)點(diǎn)火。目前分級(jí)點(diǎn)火技術(shù)主要通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)[1]：一是采用壓力機(jī)械開關(guān)裝置，由下部射孔槍起爆后，產(chǎn)生的爆炸壓力推動(dòng)機(jī)械開關(guān)閉合，接通上部射孔槍雷管，實(shí)現(xiàn)電纜分級(jí)射孔。若某級(jí)壓力開關(guān)未閉合，則本級(jí)和后級(jí)射孔器無法點(diǎn)火起爆；二是利用可編碼的電子開關(guān)技術(shù)，通過地面儀器控制可編碼電子開關(guān)，有選擇性地將電雷管與纜芯導(dǎo)通，完成分級(jí)點(diǎn)火。本文主要介紹的是可編碼電子開關(guān)技術(shù)。

1 技術(shù)原理

編碼式多級(jí)點(diǎn)火分簇射孔技術(shù)是將可編址的電子開關(guān)與雷管一一對(duì)應(yīng)，通過地面儀器控制可編址電子開關(guān)通斷，選擇性地將相應(yīng)電雷管與纜芯導(dǎo)通，完成分級(jí)點(diǎn)火，安全可靠。編碼式多級(jí)點(diǎn)火分簇射孔串接的下井射孔器數(shù)量比較多(10～20級(jí))，可以跳過故障級(jí)對(duì)后一級(jí)進(jìn)行點(diǎn)火，提高了分簇射孔的下井一次成功率。主要有三種形式：無地址電子選發(fā)開關(guān)、浮動(dòng)地址電子選發(fā)開關(guān)、固定地址電子選發(fā)開關(guān)。

2 無地址電子選發(fā)開關(guān)

無地址電子選發(fā)開關(guān)[2]內(nèi)部包含A、B兩個(gè)脈沖解碼器和與其相對(duì)應(yīng)的開關(guān)，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出脈沖序列A時(shí)，經(jīng)由解碼器A進(jìn)行解碼，閉合相應(yīng)的A開關(guān)，接通下級(jí)電路；當(dāng)上位機(jī)發(fā)送的脈沖序列B時(shí)，通過B解碼器閉合B開關(guān)接通雷管電路。如圖1所示。

圖1 無地址選發(fā)開關(guān)示意圖

由于無地址編碼電子開關(guān)沒有選址功能，因此必須使用專門的數(shù)碼雷管才能更安全有效地進(jìn)行選發(fā)點(diǎn)火，數(shù)碼雷管由雷管、編碼器和起爆器組成，如圖2所示。起爆器中的電熔絲可以通過輸入幾安培的電流直接點(diǎn)火；而數(shù)碼雷管是通過一個(gè)內(nèi)置的電容對(duì)電熔絲進(jìn)行點(diǎn)火，電容由毫安級(jí)的小電源充電，充電和放電由集成在雷管編碼器上的電子芯片來控制。

圖2 數(shù)碼雷管

而數(shù)碼雷管的集成電路部分主要包括模擬電路、數(shù)字電路和點(diǎn)火模塊，如圖3所示，通過腳線輸入的電壓門檻可以限制在20 V以內(nèi)，可以屏蔽很多過高的外部電壓；而通信信號(hào)則直接進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理，經(jīng)過整流后的電流，通過充電控制器給電容充電。

圖3 數(shù)碼雷管的集成電路框圖

在整流器和初級(jí)能量存儲(chǔ)器之間有一個(gè)數(shù)字可調(diào)的充電控制器，它可以給電容器充電直到最低的電子線路工作電壓，使檢測電路和放電控制電路以及發(fā)火控制電路能正常工作。

單片機(jī)通過輸入的信號(hào)來判斷下一步的命令，單片機(jī)控制放電電路和點(diǎn)火電路，同時(shí)檢測電路可以隨時(shí)對(duì)單片機(jī)的運(yùn)算進(jìn)行檢測，執(zhí)行點(diǎn)火命令時(shí)，發(fā)火控制電路工作，給點(diǎn)火裝置供電進(jìn)行點(diǎn)火。

如果長時(shí)間不進(jìn)行點(diǎn)火操作，在計(jì)數(shù)1 min后，單片機(jī)就會(huì)復(fù)位。

無地址電子選發(fā)開關(guān)設(shè)計(jì)簡單，只是通過兩個(gè)脈沖序列來控制與雷管的導(dǎo)通，配合特定的數(shù)碼雷管使用安全性高，但是只能使用單一的數(shù)碼雷管，而且數(shù)碼雷管進(jìn)口手續(xù)繁雜、周期長，給使用帶來不便。

3 浮動(dòng)地址電子選發(fā)開關(guān)

浮動(dòng)地址選發(fā)開關(guān)主要由以下幾個(gè)部分組成：主控制電路、編譯碼控制電路、點(diǎn)火控制電路、級(jí)聯(lián)控制電路。開關(guān)供電后便進(jìn)入正常工作模式，等待地面控制儀的下發(fā)命令。地面控制儀下發(fā)的命令通過編譯碼電路進(jìn)行整形、濾波、轉(zhuǎn)換，然后被主控制電路接收譯碼，主控制電路通過接收到的命令再進(jìn)一步控制點(diǎn)火控制電路，級(jí)聯(lián)控制電路等。如圖4所示。

圖4 浮動(dòng)地址選發(fā)開關(guān)示意圖

開關(guān)接收到的命令包括：編址命令、級(jí)聯(lián)命令、測試命令和點(diǎn)火命令。編址命令可以給每級(jí)開關(guān)按照連接的順序賦予一個(gè)唯一的地址，從而使每級(jí)開關(guān)都有確定的ID編號(hào)，進(jìn)而可以通過ID識(shí)別及ID驗(yàn)證對(duì)每一級(jí)開關(guān)進(jìn)行有效的控制。本級(jí)開關(guān)接收到編址命令后，便進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)，可以繼續(xù)接受相應(yīng)ID的控制命令，當(dāng)接收到點(diǎn)火命令后，主控電路會(huì)控制點(diǎn)火電源電路及點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路完成DC-DC升壓及恒功率輸出，從而達(dá)到引爆雷管的目的；當(dāng)接收到級(jí)聯(lián)命令后，本級(jí)開關(guān)退出啟動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)入休眠狀態(tài)，不再接收地面控制儀下發(fā)的控制命令。本級(jí)開關(guān)進(jìn)入休眠狀態(tài)后，會(huì)通過控制電路啟動(dòng)下一級(jí)開關(guān)，下一級(jí)開關(guān)重新接收編址命令……以此類推，可以完成開關(guān)的多級(jí)級(jí)聯(lián)功能及點(diǎn)火功能。如圖5所示。

圖5 浮動(dòng)地址電子選發(fā)開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

浮動(dòng)地址電子選發(fā)開關(guān)不受雷管的限制[3]，通用性好，可以起爆多種雷管，如磁電雷管、大電阻雷管、EBW雷管和EFI雷管均能起爆，但在過高的溫度條件下容易出現(xiàn)編址錯(cuò)誤的情況。

4 固定地址電子選發(fā)開關(guān)

固定地址電子開關(guān)[4]在寫入控制程序時(shí)，都向其灌封固定的不同于其他開關(guān)的地址，每個(gè)開關(guān)具有唯一的身份編碼。這些地址編碼不可篡改。共有65 535個(gè)地址不重復(fù)，通信時(shí)，系統(tǒng)首先會(huì)自動(dòng)核對(duì)地址，記錄下每個(gè)電子開關(guān)的地址，然后通過選定這些不同的地址來選定其對(duì)應(yīng)的開關(guān)，完成檢測、點(diǎn)火等一些列命令。這些命令必須由特殊的面板進(jìn)行發(fā)送，為了安全起見，往往采用正負(fù)電來進(jìn)行通信和點(diǎn)火，確保通信時(shí)不會(huì)觸發(fā)雷管。如圖6所示。

固定地址的選發(fā)開關(guān)主要由通信電路和主控制電路組成，通信電路是用來完成跟控制面板的通信，接入電纜，接收從控制面板發(fā)出的信號(hào)，然后通過限幅、整流、濾波后采集出有用信號(hào)進(jìn)入解碼器對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，來判斷發(fā)出的指令是點(diǎn)火、檢測還是進(jìn)入下一級(jí)開關(guān)，經(jīng)過解碼的信號(hào)再進(jìn)入主控制電路來完成下一步的操作。

圖6 固定地址電子選發(fā)開關(guān)的示意圖

在主控制電路中，往往會(huì)采用MCU單片機(jī)作為控制電路的核心，配合外圍電路完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，當(dāng)經(jīng)過解碼的信號(hào)進(jìn)入控制器中，MCU控制相應(yīng)的開關(guān)閉合來達(dá)到接通下一級(jí)電路功能。如圖7所示。

圖7 固定地址電子選發(fā)開關(guān)連接示意圖

固定地址電子選發(fā)開關(guān)由于每一個(gè)開關(guān)內(nèi)都封裝有唯一的地址編碼，因此安全性高，而且不受雷管限制，大電阻雷管、EBW雷管、EFI雷管都可以起爆，但是在生產(chǎn)開關(guān)時(shí)每一個(gè)開關(guān)必須單獨(dú)處理，進(jìn)行地址的封裝，生產(chǎn)周期長，成本較高。

5 應(yīng)用實(shí)例

中國石油集團(tuán)測井有限公司裝備與銷售分公司在2014年分別應(yīng)用無地址電子選發(fā)開關(guān)和固定地址電子選發(fā)開關(guān)在吐哈油田三塘湖各施工1口水平井橋塞射孔聯(lián)作，同年在長慶油田使用浮動(dòng)地址電子選發(fā)開關(guān)施工2口直井的分級(jí)點(diǎn)火。具體作業(yè)情況見表1。

表1 4口井施工概況

牛東平X井2014年5月19日～5月21日施工，井深2 146.0 m，垂深1 623.45 m，水平井段639.26 m。套管為5in(1 in=25.4 mm)Φ139.70 mm×121.36 mm，鋼級(jí)P110。射孔共五層，第1層采用油管傳輸射孔，后4層采用復(fù)合橋塞-分簇射孔分段壓裂技術(shù)，每層3簇射孔，共12簇；每層1個(gè)橋塞，共4個(gè)橋塞。見表2。

牛東平X井現(xiàn)場施工，每層共4級(jí)點(diǎn)火，即3簇射孔+1級(jí)橋塞。共進(jìn)行16次點(diǎn)火(12簇射孔+4級(jí)橋塞)，分級(jí)點(diǎn)火成功率100%(16/16)。一次下井成功率100%(4/4)。

牛東平XX井2014年6月23日～6月25日施工，井深2 240.0 m，垂深1 640.53 m，水平井段733.83 m，套管為5inΦ139.70 mm×121.36 mm，鋼級(jí)P110。射孔共6層，第一層采用油管傳輸，后五層采用復(fù)合橋塞-分簇射孔分段壓裂技術(shù)，第二、六層4簇，第三、四層3簇，第五層2簇，共計(jì)16簇射孔；每層1個(gè)橋塞，共5個(gè)橋塞。見表3。

牛東平XX井現(xiàn)場施工，每層射孔級(jí)數(shù)不同，分別為4簇射孔+1級(jí)橋塞(第二、六段)；3簇射孔+1級(jí)橋塞(第三、四段)；2簇射孔+1級(jí)橋塞(第五段)。共進(jìn)行20次點(diǎn)火(16簇射孔+4級(jí)橋塞)，分級(jí)點(diǎn)火成功率100%(20/20)。一次下井成功率100%(5/5)。

表2 牛東平X井射孔層位表

表3 牛東平XX井射孔層位表

雙X井2014年10月6日施工，該井基本情況為人工井底3 042.20 m；套管內(nèi)徑121.36 mm；壁厚9.17 mm；鋼級(jí)N80。

射孔層位：

3 016.0～3 020.0 m(厚度4 m)；

2 886.0～2 889.0 m(厚度3 m)；

2 837.0～2 841.0 m(厚度4 m)、2 827.0～2 829.0 m(厚度2m)；見表4。

表4 雙X井射孔層位表

雙XX井2014年10月7日施工，該井基本情況：人工井底2 838.0 m；套管內(nèi)徑121.36 mm；壁厚9.17 mm；鋼級(jí)N80。

射孔層位：

2 776.0～2 780.0 m(厚度4 m)、2 676.0～2 678.0 m(厚度2 m)；

2 651.0～2 653.0 m(厚度2 m)、2 622.0～2 624.0 m(厚度2 m)、2 611.0～2 613.0 m(厚度2 m)；

2 605.0～2 607.0 m(厚度2 m)、2 480.0～2 483.0 m(厚度3 m)；見表5。

6 結(jié) 論

編碼式多級(jí)點(diǎn)火分簇射孔技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)槍串一次下井，多次射孔。三種電子選發(fā)開關(guān)各有特色，都具有很高的安全性及可靠性，與水力泵送橋塞技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)水平井的分段射孔，分段壓裂，配合安全隔離系統(tǒng)，當(dāng)某一級(jí)意外失效后，不會(huì)影響后一級(jí)射孔槍的點(diǎn)火，大大提高了施工效率。

表5 雙XX井射孔層位表

[1] 陸大衛(wèi)，油氣井射孔技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2012：70-82.

[2] 賀紅民．防射頻可編址分級(jí)點(diǎn)火技術(shù)[J].測井技術(shù)，2014，28(3)：375-377.

[3] 孫志忠，康國珍，賀紅民．射頻安全分級(jí)點(diǎn)火技術(shù)[C].長慶事業(yè)部第十屆科技進(jìn)步大會(huì)論文集，2012：135-136.

[4] 張志強(qiáng)，固定地址編碼式電纜分簇射孔技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用[Z].中國勝利測井公司，2014：67-69.

Addressable Multistage Ignition Cluster Perforation Technology

LIU Teng， MU Guanghua， CHENG Suiniu， HE Hongmin， ZHAO Shuangqing， LIN Zekai， LIU Yang

(ChinaPetroleumLoggingCo.Ltd.，Xi′an，Shannxi710077)

Multistage ignition cluster perforation technology is a very important technical link of composite bridge plug-perforation technology. Multistage ignition cluster perforation technology mainly controls the composite bridge plug setting and perforating gun igniting. In order to achieve the electing perforation, addressable electronic switch is used to control ignition, which greatly improves the safety and success rate.

multistage ignition; electing perforation; addressable electronic switch

劉 騰，男，1990年生，助理工程師，2013年畢業(yè)于西南石油大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，現(xiàn)從事射孔新工藝研發(fā)及推廣工作。E-mail：liutengac@163.com

P631.4+3

A

2096-0077(2016)06-0070-05

2016-01-11 編輯：韓德林)