防射頻可編址分級(jí)點(diǎn)火技術(shù)

賀紅民, 路利軍, 慕光華, 孫志忠, 扈勇, 王兆東

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部, 陜西 西安 710201)

0 引 言

分級(jí)點(diǎn)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(jí)分次進(jìn)行點(diǎn)火。采用這種技術(shù)可以極大地減少作業(yè)小隊(duì)的工作量,提高施工效率。分級(jí)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(dòng)液壓開(kāi)關(guān),接通上部射孔槍,實(shí)現(xiàn)電纜分級(jí)射孔;②利用可編址電子開(kāi)關(guān)技術(shù),通過(guò)地面儀器控制可編址電子開(kāi)關(guān),有選擇性地將電雷管與電纜導(dǎo)通,完成多級(jí)點(diǎn)火。本文主要介紹可編址電子開(kāi)關(guān)與射頻安全雷管的基本原理,通過(guò)兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)油氣田射孔安全分級(jí)起爆。

1 系統(tǒng)原理

圖1 射孔槍串示意圖

井下每級(jí)射孔槍內(nèi)都安裝有電子雷管和選發(fā)開(kāi)關(guān)(見(jiàn)圖1),點(diǎn)火前由地面計(jì)算機(jī)控制先對(duì)每個(gè)選發(fā)開(kāi)關(guān)進(jìn)行編址,點(diǎn)火時(shí),地址被選上的選發(fā)開(kāi)關(guān)將電纜與其連接的雷管導(dǎo)通,然后由點(diǎn)火面板控制點(diǎn)火。各級(jí)射孔槍通過(guò)安全隔離系統(tǒng)分割開(kāi),下部射孔器點(diǎn)火后不影響上部未點(diǎn)火的射孔器。也可對(duì)上部剩余的選址開(kāi)關(guān)進(jìn)行重新編址,每次點(diǎn)火時(shí),地址的選擇以選址開(kāi)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(jí)裝藥組成(見(jiàn)圖2)。普通電雷管內(nèi)部沒(méi)有集成電路和電容,電熔絲可以通過(guò)輸入幾安培的電流直接點(diǎn)火。而射頻安全電雷管是通過(guò)一個(gè)內(nèi)置的電容對(duì)電熔絲進(jìn)行點(diǎn)火,電容由幾毫安級(jí)的小電源充電,充電和放電通過(guò)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(guò)程:地面點(diǎn)火面板激發(fā)電雷管,電容充電到2 V電壓可以滿(mǎn)足雷管的電子線(xiàn)路工作,但不能激發(fā)電熔絲。只有在電容器將一個(gè)特殊的電壓序列進(jìn)一步傳遞給雷管,打開(kāi)電子開(kāi)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(jì)框圖

集成電路設(shè)計(jì)包含3個(gè)主要部分:模擬電路、數(shù)字電路和點(diǎn)火模塊(見(jiàn)圖3)。模擬電路內(nèi)電壓門(mén)檻可以限制輸入電壓小于20 V,屏蔽了很多過(guò)高的外部電壓。輸入脈沖發(fā)生器內(nèi),信號(hào)耦合時(shí)每種極性的變化產(chǎn)生1個(gè)脈沖,通過(guò)數(shù)字電路進(jìn)一步處理。點(diǎn)火模塊內(nèi)信號(hào)耦合能量?jī)?chǔ)存到電容器內(nèi),通過(guò)1個(gè)整流器充電。在整流器和初級(jí)能量存儲(chǔ)器之間有1個(gè)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(xiàn)路工作電壓。數(shù)字電路內(nèi),耦合后的信號(hào)傳遞給輸入脈沖發(fā)生器。脈沖從這個(gè)發(fā)生器傳遞給脈沖編碼和開(kāi)關(guān)Ⅰ和開(kāi)關(guān)Ⅱ,最初這2個(gè)開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)。如果脈沖發(fā)生器識(shí)別出正確的脈沖序列,它將驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)控器并閉合開(kāi)關(guān)Ⅰ。電壓調(diào)控器使開(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)Ⅰ到脈沖計(jì)數(shù)器。當(dāng)記錄完64個(gè)脈沖,脈沖計(jì)數(shù)器發(fā)出一個(gè)脈沖閉合開(kāi)關(guān)Ⅱ。輸入脈沖發(fā)生器的后續(xù)脈沖傳遞通過(guò)開(kāi)關(guān)Ⅱ并閉合開(kāi)關(guān)Ⅲ,開(kāi)關(guān)Ⅲ被激發(fā)后點(diǎn)火頭通過(guò)電容器點(diǎn)火。64個(gè)脈沖是為了增加系統(tǒng)安全性。電子雷管激活后在點(diǎn)火脈沖發(fā)出之前如斷電,電容不會(huì)起爆點(diǎn)火頭并能夠通過(guò)電子線(xiàn)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(hào),在安全模式下直到干擾電源斷開(kāi)。

3 選址開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

選址開(kāi)關(guān)安裝在每級(jí)射孔槍內(nèi),能夠依次對(duì)射孔槍串進(jìn)行點(diǎn)火,不僅不會(huì)減少電雷管的安全特性,兩者結(jié)合在一起,增加了多級(jí)點(diǎn)火系統(tǒng)的安全性。選址開(kāi)關(guān)內(nèi)包含有2個(gè)數(shù)字可尋址的單刀雙擲開(kāi)關(guān),地址被選上后,將電纜連接到它下部的點(diǎn)火回路或其旁邊的雷管上(見(jiàn)圖4)。如果選址開(kāi)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(kāi)關(guān)地址將返回到?jīng)]有連接的狀態(tài)。選址開(kāi)關(guān)通過(guò)專(zhuān)用的射孔面板激活。選擇信號(hào)時(shí)序是為了不干擾雷管程序。采用了一個(gè)8個(gè)字節(jié)寬的信號(hào)編碼。激發(fā)第5級(jí)電子雷管將發(fā)送如圖5所示的脈沖,解碼成功后雷管點(diǎn)火。

圖4 選發(fā)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

圖5 點(diǎn)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(jí)射孔槍。①其中某一級(jí)射孔器意外進(jìn)水,不影響其他射孔器的正常使用(見(jiàn)圖6);②每級(jí)電子雷管安裝在該級(jí)射孔器的下部,如果這一級(jí)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(guò)一根貫通線(xiàn)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(shí)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(shí),下部的射孔器不會(huì)進(jìn)水,不影響射孔彈再次使用。

圖6 電子雷管與選發(fā)開(kāi)關(guān)連接結(jié)構(gòu)圖

5 安全性能

(1) 對(duì)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(shí)電子雷管的阻值很高,因此不會(huì)消耗很多電流,所以在低電壓的情況下沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)。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(zhǎng)時(shí)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(huì)起爆。

(2) 對(duì)靜電安全。低于0.2 mJ/Ω能量的脈沖不會(huì)損傷電子線(xiàn)路(人體放出25 kV的靜電會(huì)產(chǎn)生大約0.05 mJ/Ω的點(diǎn)火脈沖)。

(3) 對(duì)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(shí),閃電的雜散電流不能激發(fā)電雷管。

(4) 對(duì)高頻安全。在頻率110 MHz、強(qiáng)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(gè)別的不能使用,但不會(huì)起爆。

(5) 對(duì)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(shí)例

中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部2012年使用防射頻可編址分級(jí)點(diǎn)火技術(shù)在5in*非法定計(jì)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(jiàn)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(shí)分7次下井,每次下井的射孔槍串組合為4級(jí)或5級(jí)射孔槍+橋塞,分級(jí)點(diǎn)火一次成功率100%。作業(yè)情況見(jiàn)表2。

表1 直井內(nèi)兩級(jí)點(diǎn)火作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)

表2 水平井內(nèi)多級(jí)點(diǎn)火作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)

7 結(jié) 論

分級(jí)點(diǎn)火技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)槍串一次下井、多次射孔。分級(jí)點(diǎn)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(jí)點(diǎn)火系統(tǒng)安全可靠,并有進(jìn)水失效機(jī)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(diǎn)火電路安全技術(shù)研究 [J]. 國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ), 2008(2): 44-48.

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