油氣井下沖擊片雷管起爆技術(shù)研究

李婷婷，裴東興，崔春生

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原030051）

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油氣井下沖擊片雷管起爆技術(shù)研究

李婷婷1，2，裴東興1，2，崔春生1，2

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原030051）

摘要：針對目前國內(nèi)油氣井下電雷管含敏感藥而導(dǎo)致的諸多安全隱患，通過分析沖擊片雷管的結(jié)構(gòu)、起爆機(jī)理以及實際應(yīng)用環(huán)境，開展專用于油氣井下的沖擊片雷管起爆技術(shù)研究。根據(jù)沖擊片雷管的起爆要求，對可提供5000 V直流電的脈沖功率源進(jìn)行原理分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計；建立沖擊片雷管起爆回路的數(shù)學(xué)模型，分析影響雷管起爆的兩個重要元器件儲能電容和開關(guān)管的相關(guān)參數(shù)及特性并對器件的選擇提出建議。測試實驗表明：該起爆系統(tǒng)能適應(yīng)油氣井下的高溫環(huán)境，并能達(dá)到?jīng)_擊片雷管的起爆要求，可為今后國內(nèi)沖擊片雷管在民用領(lǐng)域的推廣提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：沖擊片雷管；油氣井；脈沖功率源；建模分析

0　引言

隨著油氣井射孔技術(shù)的提高，以及射孔環(huán)境的逐漸復(fù)雜化，油氣井射孔安全面臨著新的挑戰(zhàn)。目前我國油氣井射孔常用含敏感藥的電雷管，其能量轉(zhuǎn)換元件與炸藥直接接觸導(dǎo)致在運輸、安裝以及井下的雜散電流、電磁輻射等作用下容易引起誤起爆[1-2]。油氣井的產(chǎn)層深度一般都在幾千米，井筒內(nèi)射孔目的層的溫度和壓力非常高，在這種條件下使用敏感炸藥的風(fēng)險性進(jìn)一步提高[3],安全起爆裝置在射孔作業(yè)場所顯得尤為重要，將軍品中普遍應(yīng)用的沖擊片雷管（EFI）替代油氣井電雷管將極大提高射孔安全。EFI最早是在1965年由美國勞倫斯利弗莫爾實驗室（LLNL）的J.R.Stroud[4]提出，其設(shè)計理念突破了傳統(tǒng)雷管中敏感起爆藥劑及松裝猛炸藥限制，因此本質(zhì)安全，抗射頻、靜電、雜散電流及電磁干擾能力強(qiáng)，且作用迅速可靠，是目前最有應(yīng)用前景的雷管。

為了提高射孔的安全性，國外已將EFI雷管(無起爆藥)應(yīng)用于石油射孔中，取得了良好的效果，而國內(nèi)EFI技術(shù)僅應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，在射孔完井中的應(yīng)用尚處于起步階段[5]。因此，開展專用于油氣井下的沖擊片雷管起爆技術(shù)研究對提高國內(nèi)油氣井射孔安全有重要意義。

1　結(jié)構(gòu)及起爆機(jī)理

圖1為沖擊片雷管的結(jié)構(gòu)圖，包括藥柱、加速膛、飛片、爆炸箔、基片和電接插。沖擊片雷管只有在特定的高能電脈沖（電流2～4kA，電壓3～5kV，功率4～10 MW）[6]作用下才能起爆。在雷管的電接插上施加一個高電壓，瞬間上千安的大電流脈沖作用于爆炸箔，爆炸箔汽化產(chǎn)生的等離子體迅速膨脹，在雷管內(nèi)產(chǎn)生極高的壓力。該壓力作用剪切下的飛片經(jīng)過加速膛加速后撞擊到藥柱上，此時飛片速度達(dá)到幾千米每秒，在炸藥端面激起壓力為p，持續(xù)時間為的沖擊波，當(dāng)pn超過炸藥的起爆臨界值時激起炸藥炮轟[7]。

圖1　沖擊片雷管結(jié)構(gòu)圖

2　沖擊片雷管起爆系統(tǒng)設(shè)計

應(yīng)用于油氣井下的沖擊片雷管起爆系統(tǒng)包括地面部分和井下部分，地面和井下之間以單芯電纜相連。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　沖擊片雷管起爆系統(tǒng)圖

該項目中，地面電源使用的是0～220V可調(diào)直流電源，地面儀器使用單芯電纜作為井下設(shè)備供電及控制命令發(fā)送的通道，井下部分由高壓脈沖源和起爆模塊兩大部分組成，地面電源向井下輸送180～220 V的直流電壓，高壓脈沖源將其升壓后給脈沖電容器充電，充電至高壓開關(guān)的閾值電壓5000 V后，電路導(dǎo)通，瞬間對爆炸箔放電，完成沖擊片雷管的起爆。

2.1脈沖功率源設(shè)計

圖3　脈沖功率源模塊電路圖

控制模塊設(shè)計的主體是脈沖功率源，由脈沖產(chǎn)生模塊和升壓模塊兩部分組成，脈沖功率源將單芯電纜輸入的直流低電壓逆變升壓到5 000 V給起爆回路電容充電。如圖3所示脈沖功率源采用可驅(qū)動MOSFET的PWM控制芯片，結(jié)合反擊式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將低電壓轉(zhuǎn)換成上千赫茲的交流電壓，經(jīng)高頻變壓器升壓、硅堆整流后給起爆回路的高壓儲能電容充電。脈沖功率源采用脈寬調(diào)制的方式，高壓變換部分由高頻變壓器、高頻開關(guān)管、倍壓整流電路，通過調(diào)節(jié)升壓系統(tǒng)的脈寬以及變壓器線圈的圈數(shù)來達(dá)到升壓的目的。在變壓器的設(shè)計中主要考慮磁芯大小、氣隙大小、原邊電感、原邊線圈匝數(shù)的選擇，以及在磁芯內(nèi)的直流成分和交流成分的影響[8]。

脈沖發(fā)生裝置的主芯片使用PWM控制的UC384x系列芯片，該芯片較高的溫度穩(wěn)定性和較低的噪聲等級使其極好地適應(yīng)油氣井下的復(fù)雜環(huán)境。

圖4為脈沖發(fā)生裝置的電路原理圖，MOSFET功率開關(guān)管的源極接電流取樣電阻R9，變壓器原邊電感電流流經(jīng)R9產(chǎn)生的電壓經(jīng)濾波后送入UC384x系列的3腳，構(gòu)成電流控制閉環(huán)。當(dāng)3腳電壓超過1V時，PWM鎖存器將封鎖脈沖，啟動電路的過流保護(hù)功能；UC384x系列的8腳與4腳間電阻Rt及4腳的接地電容Ct決定芯片內(nèi)部的震蕩頻率；變壓器原邊并聯(lián)R6、C6、D3構(gòu)成緩沖電路，用于限制高頻變壓器漏感造成的尖峰電壓，防止MOSFET功率管在關(guān)斷過程中承受大的反向電壓。

圖4　UC384x外圍電路原理圖

2.2起爆回路模型分析

起爆模塊的工作過程主要包括兩個階段，能量存儲和能量瞬間釋放。首先將低壓低能量密度的電能儲存至高壓電容，當(dāng)儲能電容器的電壓達(dá)到高壓觸發(fā)開關(guān)的預(yù)定值時就觸發(fā)高壓開關(guān)，將儲能電容中的電能量瞬間釋放，形成高壓大電流的發(fā)火脈沖作用在沖擊片雷管上，進(jìn)而起爆沖擊片雷管[9]。

該起爆階段的核心工作過程就是儲能電容的充放電過程，該系統(tǒng)中用的電容器在能完成儲能與瞬間放電的同時還要適應(yīng)油氣井下的惡劣環(huán)境，所以應(yīng)選用容量大、高儲能密度、低電感、壽命長、重復(fù)率高耐高溫的電容[10]，圖5為該起爆回路的工作模型。

圖5　起爆回路模型圖

如圖所示U1為儲能電容的恒定充電電壓，i1為儲能電容充電回路的電流，R1為充電回路的總電阻。GDT為高壓觸發(fā)開關(guān)，L2為放電回路的電感，i2為放電回路電流，R2為放電回路片的總電阻，R3為沖擊雷管爆炸箔的動態(tài)電阻。當(dāng)直流高壓輸入為恒定值時，儲能電容充電回路的數(shù)學(xué)方程式為

兩邊微分后得

由初始條件U1（0）=0，i1（0）=0，可以求出電流和電壓的值，即

從上式中可以看出，充電過程中，儲能電容的電壓是隨時間逐漸增大的，而充電的快慢是與時間常數(shù)R1C相關(guān)。高壓發(fā)火電容充電至高壓開關(guān)的閾值電壓U2的時間為

同理可得，儲能電容放電回路的數(shù)學(xué)方程式為

解方程可得儲能電容放電回路的電流為

2.3關(guān)鍵元器件特性分析及選擇

起爆回路中對能量的存儲和瞬間釋放起關(guān)鍵作用的器件是高壓儲能電容器以及高壓開關(guān)，在器件的選擇上主要考慮的問題包括：1）輸出脈沖是否滿足沖擊片起爆的要求；2）元器件能否在環(huán)境復(fù)雜的油氣井下正常工作。

目前國內(nèi)在役的油井深度多數(shù)在500～4 000 m之間，平均深度為1 500 m，井下靜態(tài)溫度隨深度增加而升高，溫度梯度約為1℃/100 m[11]，高溫對油氣井下起爆系統(tǒng)使用的元器件提出了更高的要求，所以在關(guān)鍵元器件的選擇上應(yīng)充分考慮其溫度特性。

1）高壓脈沖電容器

高壓脈沖電容器作為沖擊片雷管起爆的能量源，是沖擊片雷管可靠起爆的關(guān)鍵因素。沖擊片雷管工作時，內(nèi)部的金屬箔要在高壓脈沖電容器放電產(chǎn)生的大電流作用下，產(chǎn)生電爆炸。在此過程中，爆炸箔需要在短時間內(nèi)獲得足以使其產(chǎn)生等離子體的能量，這就要求高壓脈沖電容器輸出的脈沖大電流在幅度和時間特性上滿足爆炸箔汽化爆炸的要求。

表1為4種材料的高壓脈沖電容器在2.0kV電壓下對同一大功率負(fù)載進(jìn)行放電所計算的系統(tǒng)參數(shù)[12]。Im（m=1，2，3）為電容放電波形的3個波峰值，短路負(fù)載的固有電阻為54mΩ，固有電感為400nH。雖然云母電容器和陶瓷電容器在2.0kV下的放電電流都較大，但是陶瓷電容器較短的振蕩周期、低電感和低電阻決定了陶瓷電容器輸出能量密度集中度高，有利于沖擊片雷管的起爆。

另外，當(dāng)環(huán)境溫度上升后，電容量溫度變化率的下降會導(dǎo)致電容值隨著溫度升高而減小，而采用特殊介質(zhì)的陶瓷電容器的電容值能夠在溫度接近200℃時只減少50%甚至更少，圖6為陶瓷電容器的容值變化曲線。

作為沖擊片雷管發(fā)火的儲能元件高壓脈沖電容器，陶瓷電容器的性能參數(shù)最優(yōu)，且體積較小便于集成化。

2）高壓開關(guān)管

高壓開關(guān)的閉合特性對沖擊片雷管起爆電流有很大的影響，為了保證沖擊片雷管正常起爆，所用的高壓開關(guān)應(yīng)具有低電阻、短時延的阻性閉合特性和低感值、長時延的感性閉合特性。

表1　電容器放電性能參數(shù)對照表

圖6　高溫陶瓷電容容值變化曲線

工作在起爆回路中的高壓開關(guān)管要以足夠快的速度動作并且具有足夠低的等效電阻才能滿足金屬箔的快速爆炸汽化[13]，降低回路損失。也就是說，它必須具有比線路其他部分更低的電容以及一個能從極高值（即開關(guān)斷開）變化到更低值（即閉合后）的電阻，該電阻阻值變化的時間還必須比電流上升到橋箔爆發(fā)臨界值的時間快得多[14]。與其他類型的放電管設(shè)備相比，陶瓷氣體放電管兩極間電容更低，對于沖擊電流的耐受性能更好，且具有高阻抗的特性，這都是普通放電管所不具備的性能，可見陶瓷氣體放電管是一種極好的選擇。

圖7所示為該系列放電管圖片，其絕緣電阻為10 GΩ，靜態(tài)電容量＜1.5 pF，絕緣性好，直流擊穿電壓可選擇1000～7500V范圍。流通能量大，抗沖擊能量強(qiáng)。

圖7　氣體放電管及其參數(shù)圖

3　實驗數(shù)據(jù)分析

利用羅果夫斯基線圈[15]對該沖擊片雷管起爆系統(tǒng)進(jìn)行測量，測量時用銅箔代替沖擊片雷管的爆炸箔，并將其置于130℃高溫環(huán)境中進(jìn)行實驗，圖8為得到的波形圖。

可以看出，所得的電流曲線為逐漸衰減的正弦波，且第一波峰值達(dá)到了3kA，與模型分析的結(jié)果相一致，波形符合美軍標(biāo)MIL-DTL-23659D，即起爆回路中儲能電容放電時電流至少包含5個幅度遞減的震蕩波形[16]，滿足沖擊片雷管的起爆要求。

圖8　起爆回路放電波形圖

4　結(jié)束語

本文在沖擊片雷管在油氣井射孔方面的安全優(yōu)勢以及目前國內(nèi)電雷管在油氣井領(lǐng)域的限制因素的基礎(chǔ)上，開展專用于油氣井下的沖擊片雷管起爆技術(shù)研究。得到以下結(jié)論：

1）沖擊片雷管不含敏感藥，只能在特定的高能電脈沖作用下才能起爆，極大提高了油氣井射孔的安全性。

2）通過研究沖擊片雷管的結(jié)構(gòu)及起爆機(jī)理，并對起爆回路進(jìn)行建模分析，設(shè)計了適應(yīng)于油氣井下的脈沖功率源，得出起爆系統(tǒng)關(guān)鍵元器件特性：具有低電阻、低電感、耐高壓以及耐高溫特性的陶瓷電容；具有低電阻、短時延的阻性閉合特性和低感值、長時延的感性閉合特性的氣體放電管。

3）實驗證明，該起爆系統(tǒng)能滿足沖擊片雷管的起爆條件（電流2～4kA，電壓3～5kV，功率4～10MW），并適應(yīng)油氣井下的高溫環(huán)境。

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（編輯：李剛）

Research on exploding foil initiator detonating system in oil and gas well

LI Tingting1，2，PEI Dongxing1，2，CUI Chunsheng1，2
（1. National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2. Education Ministry Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract:The exploding foil detonator initiating technology dedicated to oil and gas wells，such as its structure，initiating mechanism and practical application environments，has been studied to eliminate the hidden dangers caused by the electric detonator with sensitive agents use in domestic oil and gas wells. According to the initiation requirements of the exploding foil initiator，the principle and structure of the pulse power source for 5000 V direct current has been analyzed and designed. A mathematical model for exploding foil detonator initiating circuit has been established to study the parameters and the features related to the energy storage capacitor and the switch tube of two important components and recommendations have been proposed for device selection. The Experimental results show that this system is adaptable to the underground high temperature environment and can meet the initiation requirement of the exploding foil detonator. The studies can provide a technical reference for promoting home-made exploding foil detonators in civilian areas.

Keywords:exploding foil initiator；oil and gas well；pulse power source；modeling analysis

作者簡介：李婷婷（1990-），女，山東安丘市人，碩士研究生，專業(yè)方向為測試計量技術(shù)與儀器。

基金項目：山西省回國留學(xué)人員科研資助項目（2014-052）；山西省煤層氣聯(lián)合研究基金項目（2013012010）

收稿日期：2015-07-13；收到修改稿日期：2015-09-17

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.019

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0083-05