賀紅民, 路利軍, 慕光華, 孫志忠, 扈勇, 王兆東

(中國石油集團測井有限公司長慶事業(yè)部, 陜西 西安 710201)

0 引 言

分級點火技術(shù)是利用電纜將多根串接在一起的射孔器下放到射孔位置后,根據(jù)井下射孔層段要求,逐級分次進(jìn)行點火。采用這種技術(shù)可以極大地減少作業(yè)小隊的工作量,提高施工效率。分級射孔目前主要有2種方式:①采用液壓轉(zhuǎn)換裝置,由下部射孔槍起爆后,利用井內(nèi)液壓推動液壓開關(guān),接通上部射孔槍,實現(xiàn)電纜分級射孔;②利用可編址電子開關(guān)技術(shù),通過地面儀器控制可編址電子開關(guān),有選擇性地將電雷管與電纜導(dǎo)通,完成多級點火。本文主要介紹可編址電子開關(guān)與射頻安全雷管的基本原理,通過兩者結(jié)合實現(xiàn)油氣田射孔安全分級起爆。

1 系統(tǒng)原理

圖1 射孔槍串示意圖

井下每級射孔槍內(nèi)都安裝有電子雷管和選發(fā)開關(guān)(見圖1),點火前由地面計算機控制先對每個選發(fā)開關(guān)進(jìn)行編址,點火時,地址被選上的選發(fā)開關(guān)將電纜與其連接的雷管導(dǎo)通,然后由點火面板控制點火。各級射孔槍通過安全隔離系統(tǒng)分割開,下部射孔器點火后不影響上部未點火的射孔器。也可對上部剩余的選址開關(guān)進(jìn)行重新編址,每次點火時,地址的選擇以選址開關(guān)最新的編址為準(zhǔn)[1]。

2 防射頻安全電子雷管

防射頻安全電子雷管[2]主要由集成電路、電容、電熔絲、主裝藥和次級裝藥組成(見圖2)。普通電雷管內(nèi)部沒有集成電路和電容,電熔絲可以通過輸入幾安培的電流直接點火。而射頻安全電雷管是通過一個內(nèi)置的電容對電熔絲進(jìn)行點火,電容由幾毫安級的小電源充電,充電和放電通過集成在雷管上的電子芯片控制。

圖2 射頻安全電雷管內(nèi)部構(gòu)造

工作過程:地面點火面板激發(fā)電雷管,電容充電到2 V電壓可以滿足雷管的電子線路工作,但不能激發(fā)電熔絲。只有在電容器將一個特殊的電壓序列進(jìn)一步傳遞給雷管,打開電子開關(guān),才能使電容放電并依次激發(fā)電容絲。大約1～2 mA的電流可以使電容充電及電子雷管編程。

圖3 電子雷管設(shè)計框圖

集成電路設(shè)計包含3個主要部分:模擬電路、數(shù)字電路和點火模塊(見圖3)。模擬電路內(nèi)電壓門檻可以限制輸入電壓小于20 V,屏蔽了很多過高的外部電壓。輸入脈沖發(fā)生器內(nèi),信號耦合時每種極性的變化產(chǎn)生1個脈沖,通過數(shù)字電路進(jìn)一步處理。點火模塊內(nèi)信號耦合能量儲存到電容器內(nèi),通過1個整流器充電。在整流器和初級能量存儲器之間有1個數(shù)字可調(diào)的電壓調(diào)控器,可以給電容器充電直到最低的電子線路工作電壓。數(shù)字電路內(nèi),耦合后的信號傳遞給輸入脈沖發(fā)生器。脈沖從這個發(fā)生器傳遞給脈沖編碼和開關(guān)Ⅰ和開關(guān)Ⅱ,最初這2個開關(guān)處于打開狀態(tài)。如果脈沖發(fā)生器識別出正確的脈沖序列,它將驅(qū)動電壓調(diào)控器并閉合開關(guān)Ⅰ。電壓調(diào)控器使開關(guān)Ⅰ閉合后,電容器充電,電壓大約在3 s內(nèi)加載到雷管輸入端,一旦電容器充電,脈沖通過開關(guān)Ⅰ到脈沖計數(shù)器。當(dāng)記錄完64個脈沖,脈沖計數(shù)器發(fā)出一個脈沖閉合開關(guān)Ⅱ。輸入脈沖發(fā)生器的后續(xù)脈沖傳遞通過開關(guān)Ⅱ并閉合開關(guān)Ⅲ,開關(guān)Ⅲ被激發(fā)后點火頭通過電容器點火。64個脈沖是為了增加系統(tǒng)安全性。電子雷管激活后在點火脈沖發(fā)出之前如斷電,電容不會起爆點火頭并能夠通過電子線路在2 min內(nèi)進(jìn)行放電,再重新使用。電子雷管可區(qū)分干擾信號,在安全模式下直到干擾電源斷開。

3 選址開關(guān)設(shè)計

選址開關(guān)安裝在每級射孔槍內(nèi),能夠依次對射孔槍串進(jìn)行點火,不僅不會減少電雷管的安全特性,兩者結(jié)合在一起,增加了多級點火系統(tǒng)的安全性。選址開關(guān)內(nèi)包含有2個數(shù)字可尋址的單刀雙擲開關(guān),地址被選上后,將電纜連接到它下部的點火回路或其旁邊的雷管上(見圖4)。如果選址開關(guān)已經(jīng)位置指定,它就保持新的狀態(tài)。將電源從電纜上去掉并以后重新連接,開關(guān)地址將返回到?jīng)]有連接的狀態(tài)。選址開關(guān)通過專用的射孔面板激活。選擇信號時序是為了不干擾雷管程序。采用了一個8個字節(jié)寬的信號編碼。激發(fā)第5級電子雷管將發(fā)送如圖5所示的脈沖,解碼成功后雷管點火。

圖4 選發(fā)開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

圖5 點火脈沖示意圖

4 安全隔離系統(tǒng)

使用安全隔離系統(tǒng)的目的主要是隔離每級射孔槍。①其中某一級射孔器意外進(jìn)水,不影響其他射孔器的正常使用(見圖6);②每級電子雷管安裝在該級射孔器的下部,如果這一級射孔器進(jìn)水,采用液體拒傳電子雷管可避免起爆射孔器,防止炸槍事故;③射孔槍串通過一根貫通線連接,上部射孔器起爆后或發(fā)生短路(斷路)再不能起爆下部的射孔器,所以射孔時要從下向上順次起爆;④由于某種原因不起爆下部射孔器而起爆上部射孔器時,下部的射孔器不會進(jìn)水,不影響射孔彈再次使用。

圖6 電子雷管與選發(fā)開關(guān)連接結(jié)構(gòu)圖

5 安全性能

(1) 對雜散電流和雜散電壓,防射頻安全電子雷管遠(yuǎn)比其他電雷管安全。電壓低于15 V時電子雷管的阻值很高,因此不會消耗很多電流,所以在低電壓的情況下沒有風(fēng)險。電子雷管可承受100 mA的電流5 s,180 mA的電流2 s,1 A的電流0.25 s。但長時間的大電流或高電壓可能損壞其內(nèi)部的芯片,電子雷管不會起爆。

(2) 對靜電安全。低于0.2 mJ/Ω能量的脈沖不會損傷電子線路(人體放出25 kV的靜電會產(chǎn)生大約0.05 mJ/Ω的點火脈沖)。

(3) 對閃電安全。閃電期間,如果爆炸物在地面就得停止操作,閃電的能量足以直接激發(fā)導(dǎo)爆索或射孔彈。但射孔槍在井內(nèi)時,閃電的雜散電流不能激發(fā)電雷管。

(4) 對高頻安全。在頻率110 MHz、強度100 V/m的環(huán)境中電子雷管可完全操作。在150～200 V/m僅有個別的不能使用,但不會起爆。

(5) 對其他影響安全。疊氮化鉛是電子雷管的主要炸藥,包裝在殼體內(nèi)激發(fā)的沖擊能量是70 J,激發(fā)HMX的沖擊能量是10 J,裝進(jìn)導(dǎo)爆索沖擊能量是20 J。

6 應(yīng)用實例

中國石油集團測井有限公司長慶事業(yè)部2012年使用防射頻可編址分級點火技術(shù)在5in*非法定計量單位,1 in=25.4 mm,下同套管的直井內(nèi)成功作業(yè)了2口井次。作業(yè)情況見表1。2013年7月采用水力泵送橋塞射孔聯(lián)作工藝在安平×井施工作業(yè),該井射孔分為7段,射孔時分7次下井,每次下井的射孔槍串組合為4級或5級射孔槍+橋塞,分級點火一次成功率100%。作業(yè)情況見表2。

表1 直井內(nèi)兩級點火作業(yè)情況統(tǒng)計

表2 水平井內(nèi)多級點火作業(yè)情況統(tǒng)計

7 結(jié) 論

分級點火技術(shù)可以實現(xiàn)多級槍串一次下井、多次射孔。分級點火技術(shù)與水力泵送橋塞座封工藝相結(jié)合,可以在油氣井內(nèi)進(jìn)行分段射孔、分段座封、分段壓裂。使用分級點火系統(tǒng)安全可靠,并有進(jìn)水失效機制,適合于油氣井多層段射孔作業(yè)。

參考文獻(xiàn):

[1] 李靜海. 艦載導(dǎo)彈火工品點火電路安全技術(shù)研究 [J]. 國防技術(shù)基礎(chǔ), 2008(2): 44-48.

[2] 杜連明. 光電混合安全點火技術(shù)研究 [D]. 綿陽: 中國工程物理研究院, 2007.