超高溫超高壓油管傳輸射孔器材研制

于秋來，陳惠卿，付團輝

(1.大慶油田有限責任公司試油試采分公司 黑龍江 大慶 163153；2.川南航天能源科技有限公司 四川 瀘州 646000)

0 引 言

隨著油氣資源勘探開發(fā)進入后期，中、淺層油氣儲量逐年減少，超深油氣儲層的開發(fā)逐年增多，油氣井完井作業(yè)中面臨的是超高的井下溫度、井下壓力，導致作業(yè)工況更加復雜，對于射孔完井使用的射孔器材的性能要求也更加嚴苛[1]。

以塔東區(qū)塊超深高溫高壓井為例，其井深最深可達6 500 m以上，地層壓力系數(shù)1.3～1.5；溫度梯度為2.3～3.0?；谧鳂I(yè)安全性考慮，超高溫超高壓井況一般采用油管傳輸射孔(TCP)完井。為了滿足塔東區(qū)塊超高溫超高壓射孔完井需求，開展了230℃/48 h、210 MPa超高溫超高壓射孔器材的研制工作，填補了國內(nèi)對于230℃、210 MPa超高溫超高壓傳輸射孔作業(yè)技術的空白，為超深油氣井儲層的開采提供了有力保障。

1 超高溫超高壓油管傳輸射孔管柱設計

根據(jù)超高溫超高壓油管傳輸射孔工藝，設計作業(yè)管柱如圖1所示。該管柱由油管或鉆桿下入，由放射性接頭、測試閥、環(huán)空加壓裝置(包括旁通接頭、傳壓中心管、篩管接頭組成)、封隔器、減震器(兩極)、油管、壓力延時起爆裝置、安全裝置、射孔槍等組成[2]。

管柱下井時，測試閥處于關閉狀態(tài)，當井筒壓力小于1 MPa時，傳爆通道關閉，壓力延時起爆裝置與射孔槍之間的安全裝置處于隔爆狀態(tài)。管柱下入至井筒壓力大于3 MPa時，安全裝置自動打開傳爆通道。校深、定位后，坐封封隔器，開閥，井口從環(huán)空加壓，環(huán)空壓力從旁通接頭處經(jīng)傳壓中心管轉換成封隔器以下的油管壓力，并作用在壓力延時點火頭上，壓力延時點火頭動作后起爆射孔槍。射孔后，地層產(chǎn)物經(jīng)篩管接頭流入到封隔器以上的油管內(nèi)，進行測試作業(yè)。

圖1 射孔管柱示意圖

在井口時安全裝置能起到隔爆作用，起爆裝置誤起爆不能引爆射孔槍，從根本上提高了井口操作安全性。

2 關鍵技術研究

超高溫超高壓射孔器材的研制主要有4個難點需要攻克，一是機械裝置(包括起爆裝置、安全裝置等)的承壓密封可靠性；二是安全裝置隔爆、傳爆可靠性；三是裝置內(nèi)裝火工品的耐溫可靠性；四是起爆裝置剪切壓力可靠性設計[3]。

2.1 承壓密封設計

超高溫超高壓射孔器材中機械裝置主要包括壓力起爆裝置、安全裝置、延時起爆裝置等。

其中除射孔槍外其他金屬殼體壁厚可用設計裕度充足，但常規(guī)的密封材料不能滿足超高溫超高壓的使用環(huán)境。普通的橡膠密封圈在超高溫條件下會失去原有的彈性和強度，使密封性能下降甚至失去密封作用。參考各種密封材料特性，超高溫作業(yè)所用O形圈材料應選用氟橡膠(FPM)，此材料硬度高，在高溫環(huán)境下抗壓性能更好，橡膠不會鼓泡、脹大，失去彈性，能夠在230℃高溫環(huán)境下使用。

在超高壓環(huán)境下，單一的O形圈密封結構存在高壓擠出剪切失效，其失效機理見圖2。

圖2 單一O形圈擠出失效示意圖

針對單一的O形圈密封結構擠出失效，設計了擋圈結構防止高壓下密封彈性體擠出失效。同時考慮井溫較高且井液有一定的介質(zhì)腐蝕，擋圈材質(zhì)選用聚四氟乙烯材料。改進前后密封結構對比見圖3。

圖3 密封結構改進前后對比

壓力起爆裝置、安全裝置等機械金屬殼體，均為圓筒形金屬零件，采用以下公式對其壓力強度進行校核。

(1)

式(1)中，p為耐壓要求值，MPa；Ro為殼體外徑，mm；Ri為殼體內(nèi)徑，mm；σs為材料的屈服極限強度，MPa；n為安全系數(shù)，取1.2。

2.2 安全裝置隔爆、傳爆設計

超高溫超高壓安全裝置是一種帶安全機構的隔離裝置，用于控制傳爆通道的開閉，射孔作業(yè)中連接在起爆裝置與射孔槍之間。當井筒壓力小于1 MPa時，傳爆通道關閉，超高溫超高壓安全裝置處于隔爆狀態(tài)；當井筒壓力大于3 MPa時，壓力推動安全銷，打開傳爆通道，能接收起爆裝置輸出的爆轟引爆傳爆組件，從而引爆射孔槍。

超高溫超高壓安全裝置設計結構圖如圖4所示。其核心設計主要在于隔板厚度的設計、傳爆距離的可靠性設計，各項的可靠性均通過裕度試驗確定。

1-安全接頭；2-O形圈；3-承托環(huán)1；4-螺塞1；5-O形圈；6-承托環(huán)2；7-安全銷；8-O形圈；9-承托環(huán)3；10-壓緊螺母；11-O形圈；12-承托環(huán)4；13-彈簧；14-螺塞2；15-螺釘圖4 產(chǎn)品結構示意圖

2.3 火工品耐溫可靠性研究

超高溫火工品主要包括起爆器、傳爆組件、延期起爆管、傳爆管、導爆索等，其耐溫性能主要取決于其內(nèi)裝火工藥劑的耐溫性能。導爆索、傳爆管及傳爆組件等火工品內(nèi)裝藥劑為單質(zhì)炸藥，參考圖5炸藥耐溫曲線，PYX、HNS可滿足230℃/48 h耐溫需求[4-6]，可使用實際產(chǎn)品進行耐溫性能驗證，確認是否滿足使用要求。

圖5 炸藥耐溫曲線

起爆器、延期起爆管等火工品內(nèi)裝火工藥劑除了裝填單質(zhì)炸藥輸出做功外，還需要有起爆藥、擊發(fā)藥等敏感藥劑作為起始起爆?，F(xiàn)有國內(nèi)起爆器等產(chǎn)品的耐溫指標僅能達到200℃/48h，不能滿足200℃以上超高溫的要求。通過對起爆藥的制備原理、制備工藝及晶形控制等技術進行攻關，研制出一種新型的耐高溫起爆藥。該起爆藥實測差示掃描量熱-熱失重分析曲線(即DSC-TG分析曲線)如圖6所示，測試參數(shù)為升溫速率10℃/min,N2氣氛。該起爆藥在340℃以前是相當穩(wěn)定的，幾乎不失重，當超過起始分解溫度以后，發(fā)生迅速劇烈的分解，DSC放熱峰溫度為360 ℃，遠高于常用起爆藥疊氮化鉛(Pb(N3)2的DSC放熱峰溫度為330 ℃左右)。

圖6 新型起爆藥的DSC-TG曲線

2.4 起爆裝置剪切銷的設計

超高溫超高壓壓力起爆裝置用于油氣井TCP完井作業(yè)中，當加壓值大于剪切銷預定設計值時，擊針塞剪斷剪切銷，撞擊起爆起爆器，引爆傳爆管及導爆索，從而引爆射孔彈。該超高溫超高壓壓力起爆裝置通過井口加壓擊發(fā)的方式作業(yè)。

超高溫超高壓井起爆裝置主要是剪切銷的設計，如圖7所示。受作業(yè)井況壓力的影響，起爆裝置的起爆壓力極高，不僅銷釘?shù)臄?shù)量比常規(guī)起爆裝置要多，且銷釘受溫度的影響與常規(guī)起爆裝置也不一樣。

為了更好地進行起爆剪切壓力的調(diào)控，超高溫超高壓起爆裝置的剪切銷設計有φ5 mm和φ3 mm兩種。20 ℃時，φ5 mm剪切銷單銷剪切值為(10.79±0.54)MPa，φ3 mm剪切銷用于微調(diào)剪切壓力，單銷剪切值為(3.88±0.19)MPa。

起爆裝置設計φ5 mm剪切銷數(shù)量為20顆，φ3 mm剪切銷數(shù)量為24顆。

當耐壓p=210 MPa，耐溫220℃時，考慮剪切銷值降低影響因素(剪切強度降低曲線見圖8)后，所需總剪切銷值為：

1-上接頭；2-螺釘；3-O形圈；4-φ3剪切銷；5-φ5剪切銷；6-下接頭；7-超高溫起爆器；8-螺塞；9-O形圈圖7 超高溫超高壓壓力起爆裝置結構圖

p總≥p÷(1-5%)÷(1-20%)

p總≥210 MPa÷95%÷80%

p總≥276.3 MPa

常溫時總剪切銷值為p常溫=10.79×20+3.88×24=308.9 MPa，可保證下井過程中壓力波動不會意外起爆。

圖8 溫度—剪切銷材料強度降低百分數(shù)曲線

3 超高溫超高壓器材試驗驗證

3.1 承壓密封結構驗證

首先對所選用氟橡膠材料高溫下性能進行測試。經(jīng)試驗，氟橡膠材料O形圈邵氏硬度75°～76°，試樣拉斷伸長率和高溫壓變率如表1、表2所示。

表1 啞鈴試樣拉斷檢測數(shù)據(jù)

表2 柱狀試樣230℃/48 h壓變檢測數(shù)據(jù)

表1、表2檢測數(shù)據(jù)說明所選氟橡膠在230 ℃下耐溫性能良好。

將聚四氟乙烯擋圈和氟橡膠O形圈組合成的密封結構裝配在起爆裝置兩端，并裝配堵頭，放入耐壓筒中。加壓至210 MPa時，保壓30 min，無異常，拆卸檢查氟橡膠O形圈無變形、滲漏。

試驗結果表明，聚四氟乙烯擋圈和氟橡膠O形圈組合密封結構可以滿足超高溫超高壓使用要求。

3.2 安全裝置隔爆、傳爆可靠性驗證

為使產(chǎn)品滿足高溫傳爆和隔爆要求，產(chǎn)品采用了雙傳爆組件對接的結構，并通過隔爆、傳爆可靠性驗證試驗，取傳爆距離為13.3 mm，隔板厚度11 mm，如圖9所示。

圖9 傳爆距離示意圖

通過75%隔板厚度裕度試驗，均能可靠隔離爆轟，驗證試驗記錄見表3。傳爆間距可靠性通過2倍傳爆距離試驗驗證，均能可靠傳遞爆轟，試驗記錄見表4。

表3 隔爆裕度驗證試驗記錄

表4 傳爆裕度試驗記錄

3.3 火工品性能可靠性驗證

超高溫火工品主要包括超高溫起爆器、超高溫延期起爆管、傳爆管及導爆索，參照《GJB 1307A—2004航天火工裝置通用技術規(guī)范》、《SY/T 6753油氣井用傳爆管通用技術條件及檢測方法》、《SY/T 6411油氣井用導爆索通用技術條件》進行了相關驗證試驗，均通過了230℃/48 h高溫試驗驗證。

超高溫起爆器通過了表5中試驗項目驗證。試驗結果表明，超高溫起爆器滿足230℃/48 h使用要求。

表5 超高溫起爆器試驗項目

超高溫導爆索進行了230℃/48 h高溫驗證及發(fā)火測試，試驗結果見表6。試驗結果表明，收縮率<1%，爆速>6 200 m/s,滿足使用要求。

表6 導爆索試驗結果表

4 結束語

1)針對超高溫超高壓井況開展了230℃/48 h、210 MPa超高溫超高壓射孔器材的研制工作，解決了承壓密封、火工品耐溫性能、傳爆可靠性等關鍵技術難題，通過了各項實驗驗證，證明超高溫超高壓射孔器材的性能滿足作業(yè)需求。

2)超高溫超高壓射孔器材的研制成功填補了國內(nèi)超高溫超高壓射孔技術的空白，處于國內(nèi)領先水平。

3)隨著油氣井開采的深入進行，超深油氣井儲層的開發(fā)將不斷增多，超高溫超高壓油管傳輸射孔器材的研制成功對我國超深油氣藏的勘探開發(fā)起到了積極的促進作用。