劉毅

(中石化勝利石油工程有限公司測井公司,山東東營257096)

0 引 言

隨著石油、天然氣能源需求量不斷增加,各國家為了補(bǔ)充油氣資源的產(chǎn)能,非常規(guī)油氣開發(fā)成為勘探開發(fā)的主要方向。固定地址編碼式分簇射孔技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用,為非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)提供了有力的工程技術(shù)手段,能夠有效降低頁巖氣等非常規(guī)油氣井的開發(fā)成本。

在頁巖氣等非常規(guī)油氣資源射孔完井中,第1段通常采用油管或連續(xù)油管輸送射孔,為首次壓裂提供通道,其余段采用泵送橋塞與分簇射孔聯(lián)作工藝完井[1]。分簇射孔方式主要有2種:①壓控轉(zhuǎn)換分簇射孔,通過井筒液體壓力推動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置斷開下級(jí)射孔槍,接通上級(jí)射孔槍,實(shí)現(xiàn)再次起爆射孔,必須由下而上逐級(jí)起爆[2],使用簡單,但也存在一些技術(shù)問題。②編碼式分簇射孔,由下而上起爆,克服了壓控式分簇射孔上一簇的槍起爆受下一簇槍起爆控制的特點(diǎn),中間可以選發(fā)。因此,可以利用選發(fā)的特點(diǎn),增加下井的射孔槍數(shù)來保障多簇射孔的成功率。

現(xiàn)階段,Schlumberger公司和Dyna公司已經(jīng)具備了編碼式分簇射孔技術(shù),但是技術(shù)原理不同,在應(yīng)用方面還存在欠缺。該技術(shù)在中國的應(yīng)用剛剛起步,大部分油田的編碼式分簇射孔裝置是由國外引進(jìn)。引進(jìn)的國外編碼式分簇射孔裝置主要有2種形式,第1種是“無地址電子開關(guān)選發(fā)+專用雷管”,此方式電子開關(guān)與專用雷管必須配套使用[3],采用其他類型的雷管無法點(diǎn)火。第2種是浮動(dòng)地址電子開關(guān)選發(fā),電子開關(guān)的地址是浮動(dòng)的,每檢測一次電子開關(guān)地址會(huì)隨機(jī)變化,電子開關(guān)與槍身雷管的對(duì)應(yīng)性不明確,特殊情況下會(huì)發(fā)生地址混亂(見下文的試驗(yàn)結(jié)果)。針對(duì)以上分簇射孔裝置的優(yōu)缺點(diǎn),論述了自主研發(fā)的非常規(guī)分簇射孔的固定址編碼式的射孔技術(shù)。該技術(shù)在勝利油田的非常規(guī)油氣井多簇射孔中進(jìn)行了應(yīng)用,并取得了良好效果。

圖1 3簇電子開關(guān)連接原理圖

1 固定址編碼電纜分簇射孔原理

固定址編碼式的電纜分簇射孔利用單芯電纜供電,通過地面系統(tǒng)向井下發(fā)送不同的控制命令選擇打開射孔器的電子開關(guān),接通射孔器的雷管,通電點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)該級(jí)射孔器的起爆?？梢詳y帶備用射孔器,橋塞座封、分簇射孔等多個(gè)環(huán)節(jié)一趟完成。在分簇射孔中將多支射孔器串連接在一起,每一簇射孔器的下端連接1個(gè)電子開關(guān)(電子開關(guān)有唯一的地址編碼來對(duì)應(yīng)每一簇射孔器號(hào)),射孔器最下端連接橋塞。下井前先輸入每一簇射孔器所對(duì)應(yīng)的電子開關(guān)的地址,下井后通電核對(duì)無誤后繼續(xù)施工;找準(zhǔn)橋塞位置點(diǎn)火坐封橋塞后,上提射孔器串,對(duì)準(zhǔn)射孔層位,進(jìn)行第1簇射孔起爆;然后再上提射孔器串,對(duì)準(zhǔn)第2層射孔層位,進(jìn)行第2簇射孔器起爆;以此類推。點(diǎn)火前,地面控制先檢查每一簇射孔器所對(duì)應(yīng)的電子開關(guān)的地址編號(hào)是否正確,然后再接通該簇射孔器的雷管進(jìn)行點(diǎn)火,實(shí)現(xiàn)該簇射孔器的起爆。

2 固定址編碼式分簇射孔系統(tǒng)

固定址編碼式分簇射孔系統(tǒng)主要由地面控制裝置、井下固定地址電子開關(guān)裝置(即電子開關(guān))、射孔器3部分組成。地面控制裝置由電子開關(guān)控制軟件和地面控制面板(SPS面板)組成,對(duì)井下電子開關(guān)進(jìn)行工作狀態(tài)監(jiān)控,確保射孔施工的安全和可靠;井下電子開關(guān)裝置安裝在每支射孔器的下方,每簇射孔器之間采用單線連接,電子開關(guān)控制纜芯和雷管通道的通斷;射孔器由射孔槍、雷管及射孔彈等組成。其中雷管分別受各級(jí)電子開關(guān)控制,從而實(shí)現(xiàn)分簇點(diǎn)火的功能;電子開關(guān)屬井下部分,為編碼式分簇射孔核心控制器件。

2.1 固定址編碼電子開關(guān)的原理

固定址電子開關(guān)是編碼式分簇射孔的關(guān)鍵部件。每個(gè)電子開關(guān)都有獨(dú)自特定的地址編碼,同一個(gè)電子開關(guān)不論放在什么位置,經(jīng)過多少次檢測,其檢測的地址都相同。電子開關(guān)內(nèi)有2道開關(guān),分別命名為A開關(guān)和B開關(guān)。A開關(guān)控制射孔器之間的纜芯接通,B開關(guān)控制雷管接通。(見圖1)。

2.2 固定址編碼電子開關(guān)的自動(dòng)尋址控制

電子開關(guān)的自動(dòng)尋址是通過電子開關(guān)的控制軟件為核心組成的地面控制面板實(shí)現(xiàn)的。主要完成與井下的交互通信,并根據(jù)控制軟件的要求完成對(duì)井下電子開關(guān)的監(jiān)測與尋址控制。地面連接射孔器和電子開關(guān)前,需先進(jìn)行人工輸入每一簇開關(guān)的地址,射孔器下入井內(nèi)100 m左右,進(jìn)行電子開關(guān)的整體檢測,并返回每一簇電子開關(guān)的地址,經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核對(duì)無誤后繼續(xù)下井施工。

以下是3級(jí)射孔地面尋址控制程序圖(見圖2)。射孔器到井底開始射孔時(shí),地面控制裝置發(fā)送控制命令,控制電子開關(guān)接通需要點(diǎn)火的雷管通道,即刻發(fā)出點(diǎn)火指令進(jìn)行點(diǎn)火施工。

圖2 3級(jí)射孔地面尋址控制程序圖

2.3 固定址編碼電子開關(guān)的安全控制

為確保對(duì)每一簇電子開關(guān)準(zhǔn)確的控制,采用了固定地址校驗(yàn)這項(xiàng)安全控制技術(shù),和A、B開關(guān)互鎖技術(shù),從而確保開關(guān)不會(huì)發(fā)生誤操作。采用了雙開關(guān)通道設(shè)計(jì),增強(qiáng)了雷管控制開關(guān)電路防擊穿的能力,從而大大提高了安全性。整套系統(tǒng)設(shè)有軟件限流與硬件限流保護(hù),確保在通信狀態(tài)下射孔器的安全性;電流、電壓實(shí)時(shí)采集,并通過曲線顯示與保存。

3 編碼式電子開關(guān)比較

3.1 無地址編碼式電子開關(guān)

其工作原理圖見圖3。電子開關(guān)沒有設(shè)置總的地址,只有A、B這2個(gè)開關(guān)序列,每塊電子開關(guān)的A、B序列完全相同;在實(shí)際射孔應(yīng)用中,必須配合專用電子雷管使用。

3.2 浮動(dòng)地址編碼式電子開關(guān)

浮動(dòng)地址編碼式電子開關(guān)的工作原理見圖4。每一個(gè)開關(guān)有一個(gè)總的浮動(dòng)地址和A、B這2個(gè)開關(guān)序列,浮動(dòng)地址由地面賦予,且所有電子開關(guān)的A、B序列相同;多級(jí)開關(guān)連接時(shí),每次測試的開關(guān)總地址都不同。

圖3 無地址編碼式電子開關(guān)原理圖

圖4 浮動(dòng)地址編碼式電子開關(guān)原理圖

這類電子開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是通用性比較好,和無地址電子開關(guān)相比增加了每簇射孔器和電子開關(guān)的對(duì)應(yīng)性,但在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了一些問題:①高壓實(shí)驗(yàn)室模擬3級(jí)射孔試驗(yàn),采用的是3簇浮動(dòng)地址開關(guān)。因裝配問題,槍身的第3簇、第2簇之間發(fā)生進(jìn)水現(xiàn)象,當(dāng)時(shí)設(shè)定3簇檢查時(shí),檢測出3個(gè)開關(guān)地址,實(shí)際只有第2簇1個(gè)電子開關(guān)工作。進(jìn)行點(diǎn)火操作后,把第3簇當(dāng)成了第1簇點(diǎn)火,發(fā)生了誤射現(xiàn)象。②現(xiàn)場施工中,在完成第1級(jí)(1號(hào))橋塞坐封和第1簇射孔槍(2號(hào))射孔后,在進(jìn)行第2簇射孔槍射孔時(shí),編碼通信出現(xiàn)故障,連續(xù)找到井下編碼多達(dá)32個(gè),并無休止地繼續(xù)尋找,重新供電多次,以及更換面板均出現(xiàn)相同情況。③現(xiàn)場施工中,在地面連接電纜和馬龍頭后進(jìn)行下井前測試時(shí),加載4簇電子開關(guān),并進(jìn)行自動(dòng)尋找電子開關(guān)地址時(shí)出現(xiàn)故障,無休止找到無數(shù)編碼。

從以上實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用可以看出,對(duì)于浮動(dòng)地址的電子開關(guān),在特殊情況下,會(huì)出現(xiàn)1個(gè)電子開關(guān)顯示成為多個(gè)不同開關(guān)的現(xiàn)象。現(xiàn)場射孔作業(yè)中,這種情況下就難以判斷哪一簇射孔器出現(xiàn)故障,以及井下各電子開關(guān)的工作狀態(tài)是否正常。如果在這種情況下點(diǎn)火會(huì)發(fā)生混亂、射錯(cuò)層位。

3.3 固地址編碼電子開關(guān)

固地址采用16 bit二進(jìn)制碼,65 535個(gè)電子開關(guān)不重復(fù),以確保電子開關(guān)在通信時(shí)的可靠性。采用這種方式時(shí)控制準(zhǔn)確,不會(huì)出現(xiàn)誤判。在生產(chǎn)過程中每個(gè)電子開關(guān)在寫入控制程序時(shí),灌封固定的不同地址時(shí)需要進(jìn)行單個(gè)處理。圖5是固定地址電子開關(guān)檢測圖,其中的2B、16、A5為電子開關(guān)固定地址,此狀態(tài)為3級(jí)電子開關(guān)進(jìn)行4級(jí)檢測的狀態(tài),第1級(jí)沒有開關(guān)地址為空。

圖5 3級(jí)開關(guān)4級(jí)檢測控制界面

特殊情況模擬試驗(yàn),讓第3級(jí)開關(guān)輸出短路,進(jìn)行3級(jí)檢測,出現(xiàn)2個(gè)2 B地址(見圖6),由于人工錄入電子開關(guān)只有1個(gè)2B地址,從而判斷出第3級(jí)電子開關(guān)輸出以后的位置出現(xiàn)了問題,可以準(zhǔn)確判斷第3級(jí)射孔器可以正常點(diǎn)火。進(jìn)一步證實(shí)了固定地址的唯一性使得不會(huì)發(fā)生混亂、射錯(cuò)層位現(xiàn)象。

圖6 模擬特殊情況下控制

4 固定址編碼式分簇射孔技術(shù)在油氣井中的應(yīng)用

固定址編碼式分簇射孔技術(shù)經(jīng)過了175 ℃的溫度檢驗(yàn),證實(shí)耐溫性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo),并設(shè)計(jì)了專用電子開關(guān)保護(hù)艙,保護(hù)電子開關(guān)可以重復(fù)利用。并在數(shù)口井的射孔施工中進(jìn)行了應(yīng)用(見表1),未出現(xiàn)返工情況,取得了良好的效果。其溫度、抗震性能、控制性能、工作穩(wěn)定性等方面都達(dá)到了現(xiàn)場使用要求。

表1 在勝利油田的推廣應(yīng)用

5 結(jié) 論

(1)基于固定址編碼方式的電纜分簇射孔裝置能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)克服了壓控式分簇射孔由下而上逐級(jí)起爆的局限性,能夠選發(fā)起爆,可以攜帶備用射孔器,提高了分簇射孔的成功率。

(2)克服了浮動(dòng)地址存在的不安全因素?？梢耘浣佣喾N雷管,拓展了適用性。

(3)地面控制裝置可以對(duì)井下射孔器之間的電子開關(guān)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并予以記錄和保存。