分簇射孔起爆技術(shù)在非常規(guī)油氣井中應(yīng)用

朱元飛

摘 要：橋塞點(diǎn)火器及雷管起爆技術(shù)是泵送橋塞射孔技術(shù)中的安全和質(zhì)量的保障。國外油氣井多采用射頻安全電子編碼點(diǎn)火器及雷管，國內(nèi)點(diǎn)火起爆技術(shù)在機(jī)械控制、編碼控制等方面做了大量研究，但在安全性和適用性等方面與國外仍有一定的差距。頁巖油氣井點(diǎn)火及起爆技術(shù)需考慮設(shè)備能力和工程環(huán)境，提高安全性、可靠性、可操作性，向智能化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：泵送橋塞射孔;點(diǎn)火;起爆;智能化

1 前言

在頁巖氣等非常規(guī)油氣資源射孔完井中，泵送橋塞射孔技術(shù)是主要配套技術(shù)之一[1]。泵送橋塞與分簇射孔聯(lián)作工藝一次下井可完成橋塞和多支射孔槍分簇射孔作業(yè)，為頁巖油氣水平井分段“體積壓裂”提供壓裂通道，提高了施工效率，確保了工程安全[2]。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，DYNA、Hunting、川南等國內(nèi)外公司開發(fā)的編碼選發(fā)式雷管，以其簡單易操作與高可靠性在國內(nèi)非常規(guī)射孔完井中實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。

2 編碼式控制分簇射孔起爆技術(shù)

2.1 編碼控制式分簇射孔原理

編碼式分簇射孔起爆技術(shù)是非常規(guī)油氣開發(fā)中的一種新型的起爆技術(shù)，以單芯電纜為載體，通過地面系統(tǒng)向井下發(fā)送不同的控制命令，來控制打開某一簇射孔器的電子開關(guān)，并接通該級(jí)射孔器雷管，從而實(shí)現(xiàn)可選擇性射孔。

在分段多簇射孔作業(yè)中，多簇射孔槍通過編碼控制式分簇射孔總成級(jí)聯(lián)在電纜上，地面控制系統(tǒng)通過纜芯下發(fā)控制脈沖序列，控制每個(gè)電子開關(guān)A和B的關(guān)閉或打開，從而準(zhǔn)確地定位所要選擇引爆的射孔搶，然后下發(fā)點(diǎn)火信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)多級(jí)可控射孔。三簇射孔控制電路原理如圖1所示。

2.2 電子開關(guān)安全性控制

為確保對每級(jí)電子開關(guān)的準(zhǔn)確控制，首先采用固定地址進(jìn)行校驗(yàn)，無論控制電子開關(guān)的A或B那個(gè)開關(guān)，都會(huì)返回該開關(guān)固定的ID地址，并進(jìn)行人工確認(rèn)和校準(zhǔn);其次是A、B開關(guān)互鎖，當(dāng)某級(jí)電子開關(guān)的A開關(guān)動(dòng)作時(shí)，會(huì)鎖定B開關(guān)不再響應(yīng)任何命令，從而確保B開關(guān)不會(huì)誤操作。同理，B開關(guān)動(dòng)作時(shí)，會(huì)鎖定A開關(guān)，從而確保A開關(guān)不會(huì)誤操作;第三，采用雙B開關(guān)通道設(shè)計(jì)，提高了雷管控制開關(guān)電路的防擊穿能力，從而提高作業(yè)安全。第四，軟件控制。地面檢測儀地面檢測槍串時(shí)，僅發(fā)送A命令，控制雷管通路的B命令被屏蔽，確保了地面檢測安全。

2.3 技術(shù)分析

國內(nèi)外開發(fā)的編碼式控制分簇射孔系統(tǒng)基于的基本原理是相同的。但不同的是：①國內(nèi)配套的起爆裝置多采用電阻式、磁電式雷管或點(diǎn)火器，通過高電壓和大電流點(diǎn)火引爆，在火工品本質(zhì)安全性方面存在一定缺陷;②電子開關(guān)與雷管多采用分體式設(shè)計(jì)，增加了施工環(huán)節(jié)的復(fù)雜程度，影響了施工效率;③國內(nèi)開發(fā)的電子開關(guān)大多能夠與不同類型的雷管匹配使用，可選擇性較為廣泛，通用性較強(qiáng)。

總體受電路控制和起爆技術(shù)的限制，國內(nèi)產(chǎn)品在可靠性和安全性方面與國外存在一定差距。

3 機(jī)械控制分簇射孔起爆技術(shù)

3.1 基本原理

機(jī)械控制分簇射孔起爆裝置主要由壓控開關(guān)本體、控制電路、點(diǎn)火插針等組成。工作原理是利用射孔后井內(nèi)的液壓作用，實(shí)現(xiàn)槍間壓力開關(guān)的接通與斷開，逐級(jí)實(shí)現(xiàn)多簇射孔，如圖2所示。第一級(jí)射孔槍起爆后，井內(nèi)壓力作用于壓力導(dǎo)通開關(guān)的輸入端，推動(dòng)壓力開關(guān)斷開下級(jí)射孔槍，接通第2級(jí)射孔槍起爆電路，使第2級(jí)射孔槍處于待射狀態(tài)，以此類推完成分簇射孔。壓力式機(jī)械控制分簇射孔是利用二極管的單向?qū)щ娦阅?，在橋塞點(diǎn)火器和每簇射孔槍起爆端設(shè)置有正負(fù)二極管，采用正負(fù)電交替點(diǎn)火的起爆方式，避免了誤起爆。

3.2 起爆方法

壓力式機(jī)械控制分簇射孔起爆組件可采用EBW、EFI、大電阻雷管（大于50歐姆）、磁電雷管等，配套大電阻橋塞點(diǎn)火器或隔板起爆器，結(jié)合正負(fù)二極管，采取正負(fù)直流電點(diǎn)火方式，實(shí)現(xiàn)橋塞和射孔槍的點(diǎn)火和起爆。EBW和EFI雷管不含敏感的起爆藥，只在強(qiáng)電流脈沖作用下引爆，具有防靜電、防電磁輻射、防雜散電流的特性，本質(zhì)安全性較高。

3.3 安全設(shè)計(jì)

為了確保施工安全，國內(nèi)某公司開發(fā)了一種壓力控制式安全裝置，其連接在末級(jí)射孔槍頂端，用于控制泵送橋塞射孔管串的電路導(dǎo)通。在無壓力狀態(tài)下，該裝置使電纜纜芯與射孔槍點(diǎn)火線路物理斷開。當(dāng)射孔槍串進(jìn)入壓力環(huán)境后，該裝置在液體壓力作用下使電纜纜芯與點(diǎn)火線路接通。壓力控制式安全控制裝置在一定程度上杜絕了漏電、人員誤操作等引起的地面誤爆。

3.4 技術(shù)分析

壓力式機(jī)械控制分簇射孔起爆技術(shù)在非常規(guī)水平井中得到了推廣應(yīng)用，取得了比較好的效果，但也暴露出了一些技術(shù)問題。

3.4.1起爆技術(shù)

磁電雷管和大電阻雷管都采用敏感的起爆藥，容易受震動(dòng)、靜電、射頻等外界環(huán)境的影響，在一定程度上降低了火工品的本質(zhì)安全性。

壓力式機(jī)械控制分簇射孔起爆技術(shù)只能采用由下至上逐級(jí)順序式點(diǎn)火方式，一旦某一簇點(diǎn)火失敗，便無法完成后續(xù)射孔槍的正常點(diǎn)火，無法實(shí)現(xiàn)選擇性射孔，存在一定的技術(shù)局限性。

3.4.2 安全控制技術(shù)

在非常規(guī)油氣井帶壓射孔作業(yè)中，需要配套井口壓力控制裝置建立與井內(nèi)相同的壓力，才能打開井口閘板下入射孔槍串。井口建立平衡壓過程中，壓力控制式安全裝置在壓力作用下上下導(dǎo)通，使射孔槍串處于電路導(dǎo)通狀態(tài)，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 頁巖水平井射孔起爆技術(shù)發(fā)展趨勢

泵送橋塞射孔聯(lián)作安全點(diǎn)火及起爆技術(shù)，需綜合考慮設(shè)備能力和工程環(huán)境，提高安全性、可靠性和可操作性。采用多重安全保障設(shè)計(jì)技術(shù)的智能化全集成防射頻雷管，將成為頁巖油氣井泵送橋塞射孔安全起爆技術(shù)的發(fā)展方向。

針對井筒壓力高、套變等特殊井況，常規(guī)的連續(xù)油管輸送方式無法實(shí)現(xiàn)多簇射孔與橋塞聯(lián)合作業(yè)，需要多次下井才能完成，增加了發(fā)生工程問題的概率。目前，國外已經(jīng)開發(fā)出壓力編程起爆系統(tǒng)，根據(jù)井況，通過溫度、壓力、時(shí)間等多重參數(shù)進(jìn)行起爆程序編譯與設(shè)置，當(dāng)橋塞和射孔器到達(dá)位置后，啟動(dòng)起爆程序，激發(fā)供電程序，井下電池自動(dòng)供電完成橋塞和分簇射孔，實(shí)現(xiàn)智能多級(jí)分簇起爆。因此，連續(xù)油管分簇起爆技術(shù)將朝著智能化可控起爆的方向發(fā)展。

5 結(jié)論

①低電壓控制的集成式防射頻安全電子編碼點(diǎn)火器及雷管，具有較好的可靠性、適用性、安全性和可操作性;②高溫高壓井筒環(huán)境下，起爆系統(tǒng)設(shè)置流體據(jù)傳功能確保了工程安全;③國內(nèi)開發(fā)的分離式編碼控制系統(tǒng)和起爆系統(tǒng)，受電路控制和起爆技術(shù)限制，在可靠性、安全性、可操作性等方面與國外仍有一定差距;④高電壓、大電流起爆技術(shù)，對于控制元器件要求較高，在安全控制及推廣應(yīng)用上有一定的局限性;⑤壓力控制式安全裝置無法在有壓力的井口附近斷開控制纜芯與點(diǎn)火線路，存在安全隱患;⑥應(yīng)形成一套適應(yīng)國內(nèi)特點(diǎn)的油氣井射孔起爆安全標(biāo)準(zhǔn)，用以指導(dǎo)射孔安全起爆技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉洪林，王紅巖，等.非常規(guī)油氣資源發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題[J].天然氣工業(yè)，2009，29（9）：113-116.

[2]龐長英，連軍利，吳一凡，等.美國頁巖油氣開發(fā)技術(shù)及對我國的啟示[J].石油地質(zhì)與工程，2012（5）：62-66.