于秋來，陳惠卿，付團(tuán)輝

(1.大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司 黑龍江 大慶 163153；2.川南航天能源科技有限公司 四川 瀘州 646000)

0 引 言

隨著油氣資源勘探開發(fā)進(jìn)入后期，中、淺層油氣儲(chǔ)量逐年減少，超深油氣儲(chǔ)層的開發(fā)逐年增多，油氣井完井作業(yè)中面臨的是超高的井下溫度、井下壓力，導(dǎo)致作業(yè)工況更加復(fù)雜，對(duì)于射孔完井使用的射孔器材的性能要求也更加嚴(yán)苛[1]。

以塔東區(qū)塊超深高溫高壓井為例，其井深最深可達(dá)6 500 m以上，地層壓力系數(shù)1.3～1.5；溫度梯度為2.3～3.0?；谧鳂I(yè)安全性考慮，超高溫超高壓井況一般采用油管傳輸射孔(TCP)完井。為了滿足塔東區(qū)塊超高溫超高壓射孔完井需求，開展了230℃/48 h、210 MPa超高溫超高壓射孔器材的研制工作，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)對(duì)于230℃、210 MPa超高溫超高壓傳輸射孔作業(yè)技術(shù)的空白，為超深油氣井儲(chǔ)層的開采提供了有力保障。

1 超高溫超高壓油管傳輸射孔管柱設(shè)計(jì)

根據(jù)超高溫超高壓油管傳輸射孔工藝，設(shè)計(jì)作業(yè)管柱如圖1所示。該管柱由油管或鉆桿下入，由放射性接頭、測(cè)試閥、環(huán)空加壓裝置(包括旁通接頭、傳壓中心管、篩管接頭組成)、封隔器、減震器(兩極)、油管、壓力延時(shí)起爆裝置、安全裝置、射孔槍等組成[2]。

管柱下井時(shí)，測(cè)試閥處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)井筒壓力小于1 MPa時(shí)，傳爆通道關(guān)閉，壓力延時(shí)起爆裝置與射孔槍之間的安全裝置處于隔爆狀態(tài)。管柱下入至井筒壓力大于3 MPa時(shí)，安全裝置自動(dòng)打開傳爆通道。校深、定位后，坐封封隔器，開閥，井口從環(huán)空加壓，環(huán)空壓力從旁通接頭處經(jīng)傳壓中心管轉(zhuǎn)換成封隔器以下的油管壓力，并作用在壓力延時(shí)點(diǎn)火頭上，壓力延時(shí)點(diǎn)火頭動(dòng)作后起爆射孔槍。射孔后，地層產(chǎn)物經(jīng)篩管接頭流入到封隔器以上的油管內(nèi)，進(jìn)行測(cè)試作業(yè)。

圖1 射孔管柱示意圖

在井口時(shí)安全裝置能起到隔爆作用，起爆裝置誤起爆不能引爆射孔槍，從根本上提高了井口操作安全性。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

超高溫超高壓射孔器材的研制主要有4個(gè)難點(diǎn)需要攻克，一是機(jī)械裝置(包括起爆裝置、安全裝置等)的承壓密封可靠性；二是安全裝置隔爆、傳爆可靠性；三是裝置內(nèi)裝火工品的耐溫可靠性；四是起爆裝置剪切壓力可靠性設(shè)計(jì)[3]。

2.1 承壓密封設(shè)計(jì)

超高溫超高壓射孔器材中機(jī)械裝置主要包括壓力起爆裝置、安全裝置、延時(shí)起爆裝置等。

其中除射孔槍外其他金屬殼體壁厚可用設(shè)計(jì)裕度充足，但常規(guī)的密封材料不能滿足超高溫超高壓的使用環(huán)境。普通的橡膠密封圈在超高溫條件下會(huì)失去原有的彈性和強(qiáng)度，使密封性能下降甚至失去密封作用。參考各種密封材料特性，超高溫作業(yè)所用O形圈材料應(yīng)選用氟橡膠(FPM)，此材料硬度高，在高溫環(huán)境下抗壓性能更好，橡膠不會(huì)鼓泡、脹大，失去彈性，能夠在230℃高溫環(huán)境下使用。

在超高壓環(huán)境下，單一的O形圈密封結(jié)構(gòu)存在高壓擠出剪切失效，其失效機(jī)理見圖2。

圖2 單一O形圈擠出失效示意圖

針對(duì)單一的O形圈密封結(jié)構(gòu)擠出失效，設(shè)計(jì)了擋圈結(jié)構(gòu)防止高壓下密封彈性體擠出失效。同時(shí)考慮井溫較高且井液有一定的介質(zhì)腐蝕，擋圈材質(zhì)選用聚四氟乙烯材料。改進(jìn)前后密封結(jié)構(gòu)對(duì)比見圖3。

圖3 密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比

壓力起爆裝置、安全裝置等機(jī)械金屬殼體，均為圓筒形金屬零件，采用以下公式對(duì)其壓力強(qiáng)度進(jìn)行校核。

(1)

式(1)中，p為耐壓要求值，MPa；Ro為殼體外徑，mm；Ri為殼體內(nèi)徑，mm；σs為材料的屈服極限強(qiáng)度，MPa；n為安全系數(shù)，取1.2。

2.2 安全裝置隔爆、傳爆設(shè)計(jì)

超高溫超高壓安全裝置是一種帶安全機(jī)構(gòu)的隔離裝置，用于控制傳爆通道的開閉，射孔作業(yè)中連接在起爆裝置與射孔槍之間。當(dāng)井筒壓力小于1 MPa時(shí)，傳爆通道關(guān)閉，超高溫超高壓安全裝置處于隔爆狀態(tài)；當(dāng)井筒壓力大于3 MPa時(shí)，壓力推動(dòng)安全銷，打開傳爆通道，能接收起爆裝置輸出的爆轟引爆傳爆組件，從而引爆射孔槍。

超高溫超高壓安全裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其核心設(shè)計(jì)主要在于隔板厚度的設(shè)計(jì)、傳爆距離的可靠性設(shè)計(jì)，各項(xiàng)的可靠性均通過裕度試驗(yàn)確定。

1-安全接頭；2-O形圈；3-承托環(huán)1；4-螺塞1；5-O形圈；6-承托環(huán)2；7-安全銷；8-O形圈；9-承托環(huán)3；10-壓緊螺母；11-O形圈；12-承托環(huán)4；13-彈簧；14-螺塞2；15-螺釘圖4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 火工品耐溫可靠性研究

超高溫火工品主要包括起爆器、傳爆組件、延期起爆管、傳爆管、導(dǎo)爆索等，其耐溫性能主要取決于其內(nèi)裝火工藥劑的耐溫性能。導(dǎo)爆索、傳爆管及傳爆組件等火工品內(nèi)裝藥劑為單質(zhì)炸藥，參考圖5炸藥耐溫曲線，PYX、HNS可滿足230℃/48 h耐溫需求[4-6]，可使用實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行耐溫性能驗(yàn)證，確認(rèn)是否滿足使用要求。

圖5 炸藥耐溫曲線

起爆器、延期起爆管等火工品內(nèi)裝火工藥劑除了裝填單質(zhì)炸藥輸出做功外，還需要有起爆藥、擊發(fā)藥等敏感藥劑作為起始起爆?，F(xiàn)有國(guó)內(nèi)起爆器等產(chǎn)品的耐溫指標(biāo)僅能達(dá)到200℃/48h，不能滿足200℃以上超高溫的要求。通過對(duì)起爆藥的制備原理、制備工藝及晶形控制等技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，研制出一種新型的耐高溫起爆藥。該起爆藥實(shí)測(cè)差示掃描量熱-熱失重分析曲線(即DSC-TG分析曲線)如圖6所示，測(cè)試參數(shù)為升溫速率10℃/min,N2氣氛。該起爆藥在340℃以前是相當(dāng)穩(wěn)定的，幾乎不失重，當(dāng)超過起始分解溫度以后，發(fā)生迅速劇烈的分解，DSC放熱峰溫度為360 ℃，遠(yuǎn)高于常用起爆藥疊氮化鉛(Pb(N3)2的DSC放熱峰溫度為330 ℃左右)。

圖6 新型起爆藥的DSC-TG曲線

2.4 起爆裝置剪切銷的設(shè)計(jì)

超高溫超高壓壓力起爆裝置用于油氣井TCP完井作業(yè)中，當(dāng)加壓值大于剪切銷預(yù)定設(shè)計(jì)值時(shí)，擊針塞剪斷剪切銷，撞擊起爆起爆器，引爆傳爆管及導(dǎo)爆索，從而引爆射孔彈。該超高溫超高壓壓力起爆裝置通過井口加壓擊發(fā)的方式作業(yè)。

超高溫超高壓井起爆裝置主要是剪切銷的設(shè)計(jì)，如圖7所示。受作業(yè)井況壓力的影響，起爆裝置的起爆壓力極高，不僅銷釘?shù)臄?shù)量比常規(guī)起爆裝置要多，且銷釘受溫度的影響與常規(guī)起爆裝置也不一樣。

為了更好地進(jìn)行起爆剪切壓力的調(diào)控，超高溫超高壓起爆裝置的剪切銷設(shè)計(jì)有φ5 mm和φ3 mm兩種。20 ℃時(shí)，φ5 mm剪切銷單銷剪切值為(10.79±0.54)MPa，φ3 mm剪切銷用于微調(diào)剪切壓力，單銷剪切值為(3.88±0.19)MPa。

起爆裝置設(shè)計(jì)φ5 mm剪切銷數(shù)量為20顆，φ3 mm剪切銷數(shù)量為24顆。

當(dāng)耐壓p=210 MPa，耐溫220℃時(shí)，考慮剪切銷值降低影響因素(剪切強(qiáng)度降低曲線見圖8)后，所需總剪切銷值為：

1-上接頭；2-螺釘；3-O形圈；4-φ3剪切銷；5-φ5剪切銷；6-下接頭；7-超高溫起爆器；8-螺塞；9-O形圈圖7 超高溫超高壓壓力起爆裝置結(jié)構(gòu)圖

p總≥p÷(1-5%)÷(1-20%)

p總≥210 MPa÷95%÷80%

p總≥276.3 MPa

常溫時(shí)總剪切銷值為p常溫=10.79×20+3.88×24=308.9 MPa，可保證下井過程中壓力波動(dòng)不會(huì)意外起爆。

圖8 溫度—剪切銷材料強(qiáng)度降低百分?jǐn)?shù)曲線

3 超高溫超高壓器材試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 承壓密封結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

首先對(duì)所選用氟橡膠材料高溫下性能進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)試驗(yàn)，氟橡膠材料O形圈邵氏硬度75°～76°，試樣拉斷伸長(zhǎng)率和高溫壓變率如表1、表2所示。

表1 啞鈴試樣拉斷檢測(cè)數(shù)據(jù)

表2 柱狀試樣230℃/48 h壓變檢測(cè)數(shù)據(jù)

表1、表2檢測(cè)數(shù)據(jù)說明所選氟橡膠在230 ℃下耐溫性能良好。

將聚四氟乙烯擋圈和氟橡膠O形圈組合成的密封結(jié)構(gòu)裝配在起爆裝置兩端，并裝配堵頭，放入耐壓筒中。加壓至210 MPa時(shí)，保壓30 min，無異常，拆卸檢查氟橡膠O形圈無變形、滲漏。

試驗(yàn)結(jié)果表明，聚四氟乙烯擋圈和氟橡膠O形圈組合密封結(jié)構(gòu)可以滿足超高溫超高壓使用要求。

3.2 安全裝置隔爆、傳爆可靠性驗(yàn)證

為使產(chǎn)品滿足高溫傳爆和隔爆要求，產(chǎn)品采用了雙傳爆組件對(duì)接的結(jié)構(gòu)，并通過隔爆、傳爆可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，取傳爆距離為13.3 mm，隔板厚度11 mm，如圖9所示。

圖9 傳爆距離示意圖

通過75%隔板厚度裕度試驗(yàn)，均能可靠隔離爆轟，驗(yàn)證試驗(yàn)記錄見表3。傳爆間距可靠性通過2倍傳爆距離試驗(yàn)驗(yàn)證，均能可靠傳遞爆轟，試驗(yàn)記錄見表4。

表3 隔爆裕度驗(yàn)證試驗(yàn)記錄

表4 傳爆裕度試驗(yàn)記錄

3.3 火工品性能可靠性驗(yàn)證

超高溫火工品主要包括超高溫起爆器、超高溫延期起爆管、傳爆管及導(dǎo)爆索，參照《GJB 1307A—2004航天火工裝置通用技術(shù)規(guī)范》、《SY/T 6753油氣井用傳爆管通用技術(shù)條件及檢測(cè)方法》、《SY/T 6411油氣井用導(dǎo)爆索通用技術(shù)條件》進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)，均通過了230℃/48 h高溫試驗(yàn)驗(yàn)證。

超高溫起爆器通過了表5中試驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，超高溫起爆器滿足230℃/48 h使用要求。

表5 超高溫起爆器試驗(yàn)項(xiàng)目

超高溫導(dǎo)爆索進(jìn)行了230℃/48 h高溫驗(yàn)證及發(fā)火測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表6。試驗(yàn)結(jié)果表明，收縮率<1%，爆速>6 200 m/s,滿足使用要求。

表6 導(dǎo)爆索試驗(yàn)結(jié)果表

4 結(jié)束語(yǔ)

1)針對(duì)超高溫超高壓井況開展了230℃/48 h、210 MPa超高溫超高壓射孔器材的研制工作，解決了承壓密封、火工品耐溫性能、傳爆可靠性等關(guān)鍵技術(shù)難題，通過了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明超高溫超高壓射孔器材的性能滿足作業(yè)需求。

2)超高溫超高壓射孔器材的研制成功填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)超高溫超高壓射孔技術(shù)的空白，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

3)隨著油氣井開采的深入進(jìn)行，超深油氣井儲(chǔ)層的開發(fā)將不斷增多，超高溫超高壓油管傳輸射孔器材的研制成功對(duì)我國(guó)超深油氣藏的勘探開發(fā)起到了積極的促進(jìn)作用。