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,各國家為了補充油氣資源的產能,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的研發(fā)與應用,為非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)提供了有力的工程技術手段,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壓控轉換分簇射孔,通過井筒液體壓力推動轉換裝置斷開下級射孔槍,接通上級射孔槍,實現(xiàn)再次起爆射孔,必須由下而上逐級起爆[2],使用簡單,但也存在一些技術問題。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,中間可以選發(fā)。因此,可以利用選發(fā)的特點,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公司已經具備了編碼式分簇射孔技術,但是技術原理不同,在應用方面還存在欠缺。該技術在中國的應用剛剛起步,大部分油田的編碼式分簇射孔裝置是由國外引進。引進的國外編碼式分簇射孔裝置主要有2種形式,第1種是“無地址電子開關選發(fā)+專用雷管”,此方式電子開關與專用雷管必須配套使用[3],采用其他類型的雷管無法點火。第2種是浮動地址電子開關選發(fā),電子開關的地址是浮動的,每檢測一次電子開關地址會隨機變化,電子開關與槍身雷管的對應性不明確,特殊情況下會發(fā)生地址混亂(見下文的試驗結果)。針對以上分簇射孔裝置的優(yōu)缺點,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。該技術在勝利油田的非常規(guī)油氣井多簇射孔中進行了應用,并取得了良好效果。

圖1 3簇電子開關連接原理圖

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,接通射孔器的雷管,通電點火實現(xiàn)該級射孔器的起爆?？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個電子開關(電子開關有唯一的地址編碼來對應每一簇射孔器號),射孔器最下端連接橋塞。下井前先輸入每一簇射孔器所對應的電子開關的地址,下井后通電核對無誤后繼續(xù)施工;找準橋塞位置點火坐封橋塞后,上提射孔器串,對準射孔層位,進行第1簇射孔起爆;然后再上提射孔器串,對準第2層射孔層位,進行第2簇射孔器起爆;以此類推。點火前,地面控制先檢查每一簇射孔器所對應的電子開關的地址編號是否正確,然后再接通該簇射孔器的雷管進行點火,實現(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裝置(即電子開關)、射孔器3部分組成。地面控制裝置由電子開關控制軟件和地面控制面板(SPS面板)組成,對井下電子開關進行工作狀態(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電子開關控制,從而實現(xiàn)分簇點火的功能;電子開關屬井下部分,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的原理

固定址電子開關是編碼式分簇射孔的關鍵部件。每個電子開關都有獨自特定的地址編碼,同一個電子開關不論放在什么位置,經過多少次檢測,其檢測的地址都相同。電子開關內有2道開關,分別命名為A開關和B開關。A開關控制射孔器之間的纜芯接通,B開關控制雷管接通。(見圖1)。

2.2 固定址編碼電子開關的自動尋址控制

電子開關的自動尋址是通過電子開關的控制軟件為核心組成的地面控制面板實現(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井下電子開關的監(jiān)測與尋址控制。地面連接射孔器和電子開關前,需先進行人工輸入每一簇開關的地址,射孔器下入井內100 m左右,進行電子開關的整體檢測,并返回每一簇電子開關的地址,經計算機系統(tǒng)核對無誤后繼續(xù)下井施工。

以下是3級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,地面控制裝置發(fā)送控制命令,控制電子開關接通需要點火的雷管通道,即刻發(fā)出點火指令進行點火施工。

圖2 3級射孔地面尋址控制程序圖

2.3 固定址編碼電子開關的安全控制

為確保對每一簇電子開關準確的控制,采用了固定地址校驗這項安全控制技術,和A、B開關互鎖技術,從而確保開關不會發(fā)生誤操作。采用了雙開關通道設計,增強了雷管控制開關電路防擊穿的能力,從而大大提高了安全性。整套系統(tǒng)設有軟件限流與硬件限流保護,確保在通信狀態(tài)下射孔器的安全性;電流、電壓實時采集,并通過曲線顯示與保存。

3 編碼式電子開關比較

3.1 無地址編碼式電子開關

其工作原理圖見圖3。電子開關沒有設置總的地址,只有A、B這2個開關序列,每塊電子開關的A、B序列完全相同;在實際射孔應用中,必須配合專用電子雷管使用。

3.2 浮動地址編碼式電子開關

浮動地址編碼式電子開關的工作原理見圖4。每一個開關有一個總的浮動地址和A、B這2個開關序列,浮動地址由地面賦予,且所有電子開關的A、B序列相同;多級開關連接時,每次測試的開關總地址都不同。

圖3 無地址編碼式電子開關原理圖

圖4 浮動地址編碼式電子開關原理圖

這類電子開關的優(yōu)點是通用性比較好,和無地址電子開關相比增加了每簇射孔器和電子開關的對應性,但在實際應用中出現(xiàn)了一些問題:①高壓實驗室模擬3級射孔試驗,采用的是3簇浮動地址開關。因裝配問題,槍身的第3簇、第2簇之間發(fā)生進水現(xiàn)象,當時設定3簇檢查時,檢測出3個開關地址,實際只有第2簇1個電子開關工作。進行點火操作后,把第3簇當成了第1簇點火,發(fā)生了誤射現(xiàn)象。②現(xiàn)場施工中,在完成第1級(1號)橋塞坐封和第1簇射孔槍(2號)射孔后,在進行第2簇射孔槍射孔時,編碼通信出現(xiàn)故障,連續(xù)找到井下編碼多達32個,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行下井前測試時,加載4簇電子開關,并進行自動尋找電子開關地址時出現(xiàn)故障,無休止找到無數(shù)編碼。

從以上實驗及應用可以看出,對于浮動地址的電子開關,在特殊情況下,會出現(xiàn)1個電子開關顯示成為多個不同開關的現(xiàn)象?，F(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的工作狀態(tài)是否正常。如果在這種情況下點火會發(fā)生混亂、射錯層位。

3.3 固地址編碼電子開關

固地址采用16 bit二進制碼,65 535個電子開關不重復,以確保電子開關在通信時的可靠性。采用這種方式時控制準確,不會出現(xiàn)誤判。在生產過程中每個電子開關在寫入控制程序時,灌封固定的不同地址時需要進行單個處理。圖5是固定地址電子開關檢測圖,其中的2B、16、A5為電子開關固定地址,此狀態(tài)為3級電子開關進行4級檢測的狀態(tài),第1級沒有開關地址為空。

圖5 3級開關4級檢測控制界面

特殊情況模擬試驗,讓第3級開關輸出短路,進行3級檢測,出現(xiàn)2個2 B地址(見圖6),由于人工錄入電子開關只有1個2B地址,從而判斷出第3級電子開關輸出以后的位置出現(xiàn)了問題,可以準確判斷第3級射孔器可以正常點火。進一步證實了固定地址的唯一性使得不會發(fā)生混亂、射錯層位現(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在油氣井中的應用

固定址編碼式分簇射孔技術經過了175 ℃的溫度檢驗,證實耐溫性能達到了設計指標,并設計了專用電子開關保護艙,保護電子開關可以重復利用。并在數(shù)口井的射孔施工中進行了應用(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)定性等方面都達到了現(xiàn)場使用要求。

表1 在勝利油田的推廣應用

5 結 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)場應用。該項技術克服了壓控式分簇射孔由下而上逐級起爆的局限性,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井下射孔器之間的電子開關工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控,并予以記錄和保存。