基于磁電雷管直流起爆的分級(jí)射孔技術(shù)

桂 華，李靜岑，王明貴

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基于磁電雷管直流起爆的分級(jí)射孔技術(shù)

桂 華1，李靜岑2，王明貴1

（1.中石化中原石油工程有限公司地球物理測(cè)井公司，河南 濮陽，457000；2.西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司，陜西 西安，710061）

針對(duì)分級(jí)射孔中使用大電阻雷管等直流雷管存在的安全隱患及缺陷，設(shè)計(jì)了基于磁電雷管的直流起爆電路，將磁電雷管應(yīng)用在分級(jí)射孔作業(yè)中的點(diǎn)火系統(tǒng)。通過采用直流供電編碼控制的形式起爆磁電雷管，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全性。油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該設(shè)計(jì)安全可靠，效果良好。

磁電雷管；分級(jí)射孔；直流；高頻脈沖；編碼控制

隨著國家戰(zhàn)略性開發(fā)頁巖氣等非常規(guī)能源的深入，電纜分級(jí)射孔技術(shù)受到各石油公司廣泛的重視。電纜分級(jí)射孔的實(shí)現(xiàn)目前主要有壓力導(dǎo)通式和電子選發(fā)式兩類方法[1]。壓力導(dǎo)通式由壓力導(dǎo)通開關(guān)配合二極管，通過正負(fù)電交替點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)分級(jí)射孔，原理簡(jiǎn)單，便于施工操作，被大家普遍使用。壓力導(dǎo)通式分級(jí)射孔是依靠前一級(jí)射孔器起爆的爆轟波打開壓力開關(guān)，實(shí)現(xiàn)下一級(jí)射孔器線路導(dǎo)通[2]。前一級(jí)雷管起爆的瞬間，壓力開關(guān)即在爆轟波的作用下被打開，使后一級(jí)雷管被連接到點(diǎn)火回路中。而此時(shí)地面起爆設(shè)備依然在輸出起爆電能，若沒有其他隔離保護(hù)措施則會(huì)造成雷管連爆，導(dǎo)致后一級(jí)射孔器的誤射孔。因此，壓力導(dǎo)通式分級(jí)射孔中使用直流雷管加二極管，以正負(fù)電交替點(diǎn)火。

目前，國內(nèi)使用的直流雷管有EFI雷管、EBW雷管及大電阻雷管等幾種。EFI雷管、EBW雷管采用鈍感藥劑，大幅提升了火工品的本質(zhì)安全性[3]，但在使用中需在雷管前端連接其專用點(diǎn)火裝置一同下井，其點(diǎn)火裝置在某個(gè)直流電壓范圍內(nèi)即可觸發(fā)，并不能完全屏蔽環(huán)境電，仍存在一定的安全隱患。而且，EFI雷管、EBW雷管價(jià)格昂貴，施工成本負(fù)擔(dān)加重，不適于普及推廣使用。大電阻雷管在環(huán)境電方面的安全性極差，作為安全元件的50Ω電阻只是略微提升了準(zhǔn)爆電壓的幅值，在井架帶電、井口其他用電設(shè)備漏電的情況下就會(huì)有雷管早爆的可能性[1]。尤其是我國北方地區(qū)的冬季施工中，需要對(duì)井口防噴裝置進(jìn)行電加熱，若直接使用直流雷管施工將有極大的安全隱患。

目前，磁電雷管以優(yōu)異的抗環(huán)境電能力得到國內(nèi)各大油田用戶的認(rèn)可，并在射孔作業(yè)中長(zhǎng)期使用，因此，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求將磁電雷管使用在分級(jí)射孔作業(yè)中。但磁電雷管使用高頻脈沖起爆，且沒有直接有效又簡(jiǎn)單易行的方法與下一級(jí)隔離，以防止下一級(jí)的連爆發(fā)生?；诖吮尘?，筆者開展了基于磁電雷管直流起爆的分級(jí)射孔技術(shù)研究。

1 磁電雷管直流起爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及功能指標(biāo)

以直流供電進(jìn)行起爆，配合二極管進(jìn)行隔離，是防止連爆有效的方法。以此為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行磁電雷管直流起爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路為：地面使用直流供電，通過直流起爆電路轉(zhuǎn)換輸出高頻脈沖，實(shí)現(xiàn)磁電雷管的起爆；通過EBFIR壓力開關(guān)進(jìn)行各級(jí)射孔槍的導(dǎo)通切換。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 直流起爆分級(jí)射孔系統(tǒng)

圖1中地面系統(tǒng)通過單芯電纜與井下組合射孔器連接。每只射孔槍與槍間短節(jié)組成獨(dú)立的射孔單元。每級(jí)射孔單元之間使用槍間短節(jié)內(nèi)部的壓力開關(guān)進(jìn)行隔離。磁電雷管連接在直流起爆電路輸出端，在直流起爆電路輸入端連接相應(yīng)的二極管，構(gòu)成起爆控制單元，如圖2所示。

圖2 起爆控制單元

起爆控制單元裝配在槍間短節(jié)內(nèi)，受壓力開關(guān)控制導(dǎo)通，相鄰級(jí)的起爆控制單元中的二極管方向相反，目的是利用下一級(jí)中反向二極管的隔離作用避免連爆。地面使用正向、反向交替供電實(shí)現(xiàn)逐級(jí)起爆。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于安全性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，首先要滿足以下安全性指標(biāo)：抗靜電：（25±0.5）kV /（500±25）pF；抗工頻漏電：交流220V及交流380V；抗直流漏電：直流1.5~500V；同時(shí)，確定功能性指標(biāo)為：井下系統(tǒng)耐溫150℃/4h；系統(tǒng)可適應(yīng)3 000~8 000m單芯電纜及3 000~7 000m七芯電纜，即在上述電纜條件下系統(tǒng)均應(yīng)可靠工作。

2 井下直流起爆電路設(shè)計(jì)

井下直流起爆電路連接磁電雷管構(gòu)成起爆單元，井下直流起爆電路也為磁電雷管提供安全性防護(hù)和隔離，系統(tǒng)安全性的核心就是井下直流起爆電路的保護(hù)性設(shè)計(jì)。為了提高系統(tǒng)的安全性，電路中采用編碼控制的設(shè)計(jì)，只有攜帶特定編碼的直流供電才能啟動(dòng)起爆電路，各種環(huán)境電以及外部漏電均無法啟動(dòng)電路，更無法加載到雷管上，以進(jìn)一步提高起爆單元的安全性。井下直流起爆電路原理如圖3所示。

圖3 井下直流起爆電路原理框圖

當(dāng)?shù)孛婵刂苾x電路上電后，MCU微處理器電路控制檢測(cè)電路對(duì)輸入電壓U進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到預(yù)設(shè)的起爆編碼指令后打開電子開關(guān)，啟動(dòng)點(diǎn)火電路，將儲(chǔ)能以輸出特定脈寬的高頻脈沖的形式輸出，實(shí)現(xiàn)起爆磁電雷管的目的。井下電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于電路對(duì)電纜條件的適應(yīng)性，包括供電電源保障和編碼識(shí)別可靠性兩方面。

供電電源保障要求在不同的電纜條件下，井下電路最大限度地獲得供電電能。直流供電系統(tǒng)中，電纜呈現(xiàn)純阻抗特性[4]，系統(tǒng)供電等效模型如圖4所示。

圖4 直流供電系統(tǒng)等效模型[4]

地面直流供電U經(jīng)電纜與井下電路形成回路，電纜電阻的分壓導(dǎo)致地面供電的損耗，按直流電路伏安特性可知：

式（1）~（3）中：U為電路輸入電壓；U為地面供電電壓；U為電纜損耗電壓；為回路電流；R為電纜電阻；R為電路輸入阻抗。

可見，若井下電路等效輸入阻抗遠(yuǎn)大于電纜電阻，則井下電路輸入電壓可近似等于地面供電電壓。因此，井下電路設(shè)計(jì)為高輸入阻抗電源電路，使整體電路輸入阻抗大于700kΩ，而電纜電阻取值范圍設(shè)為30~300Ω，故可保證在任何電纜條件下地面供電無損加載在井下電路上。編碼識(shí)別可靠性體現(xiàn)在編碼傳輸和編碼識(shí)別兩方面。對(duì)于長(zhǎng)線數(shù)據(jù)傳輸，電纜等效模型如圖5所示。

圖5 電纜數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃Ｐ蚚6]

由于電纜容抗與感抗的作用，會(huì)引起編碼波形的變形，脈沖頻率越高，則變形程度越嚴(yán)重[7]。因此，結(jié)合實(shí)際使用中無速率要求的特點(diǎn)，系統(tǒng)編解碼設(shè)計(jì)中采用降低數(shù)據(jù)波特率，以保證編碼傳輸不失真[8]；編碼識(shí)別電路采用直流電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)的方式，電壓檢測(cè)精度為0.01V，可準(zhǔn)確讀取直流載波編碼。

3 地面控制電路設(shè)計(jì)

地面控制電路的功能是為井下電路提供電源的同時(shí)發(fā)送起爆編碼?；谟秒姲踩约氨苊馀c其他井下儀器的用電沖突，選用直流36V供電；加載12V編碼信號(hào)，為減小電容容抗及感抗對(duì)編碼傳輸?shù)挠绊?，將編碼波特率降低至10bit/s以下。地面控制電路輸出電壓信號(hào)如圖6所示。

4 直流起爆系統(tǒng)性能測(cè)試

按圖7連接線路，對(duì)磁電雷管直流起爆系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)試。使用示波器分別監(jiān)測(cè)并記錄磁電雷管直流起爆電路輸入端及輸出端的電壓信號(hào)，實(shí)測(cè)電壓波形如圖8所示。

圖7 性能測(cè)試接線示意圖

圖8 井下電路輸入端及輸出端的電壓波形

圖8中曲線1為電路輸入端電壓波形，曲線2為電路輸出端電壓波形。從記錄的電壓波形曲線可明確看出：電路輸入端上電后，電路無輸出，直至輸入端接收到完整的起爆編碼后，啟動(dòng)點(diǎn)火電路，輸出端產(chǎn)生高頻脈沖輸出。

為驗(yàn)證直流起爆系統(tǒng)可靠性及安全性，在進(jìn)行系統(tǒng)功能驗(yàn)證的同時(shí)，對(duì)起爆單元進(jìn)行高溫發(fā)火試驗(yàn)、抗靜電試驗(yàn)、抗工頻漏電試驗(yàn)、抗直流漏電等理化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)功能試驗(yàn)及起爆單元試驗(yàn)

Tab.1 System function test and initiating unit test

由表1所示，無論靜電、工頻電漏電、其他直流漏電、各種感應(yīng)電以及電磁輻射，均無法啟動(dòng)點(diǎn)火電路，確保施工安全。

5 磁電雷管直流起爆電路的應(yīng)用

磁電雷管直流起爆電路全部選用耐溫150℃以上元器件，采用表面貼焊工藝，其體積小、重量輕，可以便捷地連接磁電雷管后裝入選發(fā)短接中。

為驗(yàn)證直流磁電雷管起爆系統(tǒng)的分級(jí)射孔設(shè)計(jì)效果，先進(jìn)行了油田現(xiàn)場(chǎng)直井分級(jí)射孔試驗(yàn)。在文-XXX井電纜射孔作業(yè)施工中，將3次射孔作業(yè)的射孔器組合為1支分級(jí)射孔組合射孔器，使用EBFIRE壓力開關(guān)進(jìn)行隔離，每級(jí)射孔器中使用直流磁電雷管起爆單元作為爆轟源，一次下井，分別進(jìn)行3級(jí)射孔作業(yè)。首次試驗(yàn)成功后，按同樣方式進(jìn)行了10余井次的下井試驗(yàn)，效果良好，證實(shí)該系統(tǒng)及技術(shù)安全可靠，可推廣應(yīng)用于水平井電纜泵送施工中。

在七平XXX井分級(jí)射孔作業(yè)中設(shè)計(jì)為水平段泵送分段射孔壓裂，共6段，每端均為1橋塞及4簇射孔，全部使用基于磁電雷管直流起爆電路的分級(jí)射孔技術(shù)進(jìn)行施工，結(jié)果全部成功。在該地區(qū)其他水平井泵送分段射孔推廣使用，進(jìn)行了在近200井次施工，效果良好。

6 結(jié)語

本文針對(duì)大電流雷管等直流雷管在分級(jí)射孔作業(yè)中存在的缺陷及安全隱患，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于磁電雷管直流起爆技術(shù)的分級(jí)射孔系統(tǒng)，經(jīng)過多次性能測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用，證實(shí)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，性能可靠，具有較高安全性，適合于復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)的分級(jí)射孔施工作業(yè)。本研究為頁巖氣開發(fā)提供一套安全可靠的直流分級(jí)射孔起爆系統(tǒng)。

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Multistage Perforating Technology Based on Direct Current Initiating Magneto-electric Detonator

GUI Hua1, LI Jing-cen2, WANG Ming-gui1

(1.Geophysical Logging Branch of Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd., Puyang, 457000；2.Xi’an Wuhua Juneng Blasting Equipment Co.Ltd.，Xi’an, 710061)

Aim at the potential safety hazard and defect of direct current detonator, such as high resistance detonator, used in multistage perforating, a direct current initiating circuit based on magneto-electric detonator was designed, the magneto-electric detonator was used in an initiating system for multistage perforating operation. By use of direct current supply coding control, the magneto-electric detonator could be initiated, and the safety of system would be improved. The application of system in oilfield shows that the system is safe and reliable, and has good effect.

Magneto-electric detonator；Multistage perforating；Current；High-frequency impulse；Coding control

1003-1480（2018）03-0057-04

TJ45+3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.015

2018-04-26

桂華（1969 -），女，工程師，主要從事射孔技術(shù)和裝備管理工作。