曾 波，劉 望，陸應(yīng)輝，李奔馳，劉 虎,4，古志斌,5，劉家屹，馮南翔

(1.中國石油集團(tuán)西南油氣田分公司 頁巖氣研究院,成都 610051；2.四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，成都 610051；3.中國石油集團(tuán)測井有限公司 西南分公司，重慶400021;4.四川華順通能源技術(shù)開發(fā)有限公司，成都 610051;5四川寶石花鑫盛油氣運(yùn)營服務(wù)有限公司，成都 610051；6.中國石油集團(tuán)西南油氣田分公司 蜀南氣礦, 四川 瀘州 646000)

隨著非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的加快，水平井壓裂的工作量逐年增加。在川南頁巖氣、長慶致密油、新疆瑪湖致密油等重點(diǎn)上產(chǎn)區(qū)，中國石油集團(tuán)公司的預(yù)計(jì)年水平井壓裂工作量將達(dá)到2 000口、40 000段以上[1-5]。橋塞射孔聯(lián)作(以下簡稱橋射聯(lián)作)作為水平井壓裂改造的重要環(huán)節(jié)，其作業(yè)時(shí)效、作業(yè)能力與作業(yè)效果對(duì)非常規(guī)油氣規(guī)模效益開發(fā)和快速上產(chǎn)至關(guān)重要。但是，分簇射孔器地面裝配作為橋射聯(lián)作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，嚴(yán)重影響橋射聯(lián)作的作業(yè)時(shí)效和施工質(zhì)量。

目前，“段內(nèi)多簇+高強(qiáng)度加砂+大排量”儲(chǔ)層改造工藝已在川南頁巖氣規(guī)?；瘧?yīng)用，橋射聯(lián)作1次下井射孔已由原來的3～4簇增加至7～14簇，原有貫通導(dǎo)線式的分簇射孔器面臨連接導(dǎo)線多、裝配耗時(shí)長、易出錯(cuò)、管串長的挑戰(zhàn)[6-10]。因此，迫切需要研制裝配效率高、點(diǎn)火可靠性好、管串結(jié)構(gòu)緊湊的新型分簇射孔器。

本文從電雷管、選發(fā)信號(hào)電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)3個(gè)方面開展設(shè)計(jì)研究，成功研制出無導(dǎo)線觸點(diǎn)式分簇射孔器，解決了射孔器與射孔器之間、電雷管與通訊導(dǎo)線之間繁瑣的連接導(dǎo)線問題，并成功在川南頁巖氣水平井中推廣應(yīng)用。

1 總體設(shè)計(jì)方案

原有貫通導(dǎo)線式分簇射孔器裝配時(shí)人體直接接觸電雷管，而且裝配過程中存在連接導(dǎo)線多、部件雜、易出錯(cuò)，以及選發(fā)接頭多、射孔管串長的問題，亟需研制操作安全、裝配方便、結(jié)構(gòu)緊湊、點(diǎn)火可靠的觸點(diǎn)式分簇射孔器。其最大特點(diǎn)是內(nèi)部沒有貫通導(dǎo)線，現(xiàn)場裝配時(shí)僅需在分簇射孔器一端插入電雷管后依次連接所有分簇射孔器便能下井施工，避免了裝配過程中的導(dǎo)線連接。分簇射孔器之間僅需1個(gè)選發(fā)接頭，極大地縮短了分簇射孔器之間的連接長度及整個(gè)射孔管柱的長度，使得1次下井能夠完成15簇以上射孔，提升了橋射聯(lián)作作業(yè)能力。

1) 無導(dǎo)線觸點(diǎn)式設(shè)計(jì)。

采用集成式模塊化設(shè)計(jì)及無導(dǎo)線觸點(diǎn)式設(shè)計(jì)，解決原有分簇射孔器部件雜、接線多、管串長的技術(shù)難題。

2) 本質(zhì)安全設(shè)計(jì)。

將電雷管、電子選發(fā)器與通訊隔水塞進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，從源頭上消除因現(xiàn)場錯(cuò)誤連接導(dǎo)線或通訊導(dǎo)線裝配受損導(dǎo)致點(diǎn)火失敗的可能，以及避免人體靜電等雜質(zhì)電流直接作用在電雷管上引發(fā)的誤起爆。

3) 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

電雷管采取懸掛式抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及一體式封裝設(shè)計(jì)，射孔器簇間通訊采用彈性觸點(diǎn)聯(lián)通，使得射孔器具備承受多簇射孔高頻沖擊震動(dòng)的能力。

2 射孔器設(shè)計(jì)

2.1 集成式觸點(diǎn)選發(fā)雷管設(shè)計(jì)

原有分簇射孔器的電雷管有2根腳線，為實(shí)現(xiàn)尋址選發(fā)起爆還需要配備專用電子選發(fā)器?，F(xiàn)場作業(yè)時(shí)需要將電雷管(如圖1)與電子選發(fā)器(如圖2)連接，才能實(shí)現(xiàn)多級(jí)尋址選發(fā)點(diǎn)火。電子選發(fā)器有5根導(dǎo)線，其中2根導(dǎo)線與電雷管的2根腳線連接，剩余3根中的2根串聯(lián)入分簇射孔器貫通導(dǎo)線，另外1根則作為接地線[11-14]。為了避免已點(diǎn)火起爆分簇射孔器對(duì)相鄰未起爆分簇射孔器的影響，還需在二者之間連接通訊隔水塞(如圖3)。

圖1 腳線電雷管

圖2 帶導(dǎo)線電子選發(fā)器

圖3 通訊隔水塞

為實(shí)現(xiàn)分簇射孔器無導(dǎo)線裝配，就要解決電雷管與電子選發(fā)器的無導(dǎo)線設(shè)計(jì)問題。首先重新優(yōu)化設(shè)計(jì)了電雷管、電子選發(fā)器及通訊隔水塞外形結(jié)構(gòu)，將3者集成設(shè)計(jì)為1個(gè)模塊。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)其外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觸點(diǎn)式設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)接收、傳遞選發(fā)點(diǎn)火信號(hào)以及接地功能，從而形成集成式觸點(diǎn)選發(fā)雷管(以下簡稱觸點(diǎn)雷管，如圖4所示)。觸點(diǎn)雷管采用彈簧作為信號(hào)輸入端，采用觸針作為信號(hào)輸出端，而連接螺紋則作為接地部位。采用絕緣材料對(duì)觸點(diǎn)雷管信號(hào)輸入、信號(hào)輸出與接地部分隔離分區(qū)，保證各信號(hào)電路之間互不干擾。設(shè)計(jì)的觸點(diǎn)雷管無連接導(dǎo)線，且具備尋址選發(fā)及通訊承壓功能，避免了人體直接接觸電雷管帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，為了提升觸點(diǎn)雷管抗震能力，內(nèi)部電子元件還特別采用了“懸掛式”封裝設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場使用時(shí)，僅需將此觸點(diǎn)雷管裝配在每支分簇射孔器的下端，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)雷管與分簇射孔器選發(fā)信號(hào)電路的串接導(dǎo)通，同時(shí)保證可靠接地。

圖4 集成式觸點(diǎn)選發(fā)雷管

2.2 無導(dǎo)線選發(fā)信號(hào)電路設(shè)計(jì)

原有分簇射孔器內(nèi)部采用貫通導(dǎo)線來傳導(dǎo)選發(fā)信號(hào)，將選發(fā)信號(hào)從電纜依次傳導(dǎo)進(jìn)每一支分簇射孔器，現(xiàn)場裝配每一支分簇射孔器時(shí)，首先需要將貫通導(dǎo)線纏繞包扎在彈架上，再與電雷管、電子選發(fā)器及通訊隔水塞對(duì)應(yīng)連接；當(dāng)連接相鄰2支分簇射孔器時(shí)，必須先將上一支分簇射孔器的選發(fā)信號(hào)輸出導(dǎo)線與接地導(dǎo)線，以及下一支分簇射孔器的選發(fā)信號(hào)輸入導(dǎo)線從二者中間的旁開孔選發(fā)接頭引出，并包扎、連接。該過程耗費(fèi)時(shí)間長、操作技能要求高。因此，從2個(gè)方面對(duì)分簇射孔器選發(fā)信號(hào)電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)分簇射孔器內(nèi)與分簇射孔器間無導(dǎo)線。

1) 分簇射孔器內(nèi)選發(fā)信號(hào)電路。

考慮到原有分簇射孔器彈架采用的金屬焊管具有良好導(dǎo)電性，因此直接采用彈架作為選發(fā)信號(hào)傳導(dǎo)體，取代分簇射孔器內(nèi)部的貫通導(dǎo)線。為了確保彈架導(dǎo)電性能，對(duì)原料焊管進(jìn)行了除銹處理。此外，為了消除選發(fā)信號(hào)(以及通過的點(diǎn)火電流)對(duì)彈架上射孔彈的影響，還設(shè)計(jì)了射孔彈絕緣套，將射孔彈與彈架絕緣，如圖5所示。

圖5 導(dǎo)電彈架及絕緣射孔套

2) 分簇射孔器間選發(fā)信號(hào)電路。

在觸點(diǎn)雷管的基礎(chǔ)上，僅需在彈架兩端分別設(shè)計(jì)與該觸點(diǎn)雷管實(shí)現(xiàn)選發(fā)信號(hào)聯(lián)通的觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)即可。為此在原有彈架兩端金屬定位環(huán)和支撐環(huán)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了位于彈架定位環(huán)的彈性觸點(diǎn)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(如圖6)以及位于彈架支撐環(huán)的硬性接觸導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，分別與觸點(diǎn)雷管的信號(hào)輸出觸針、信號(hào)輸入彈簧無導(dǎo)線聯(lián)通。此外，還在彈架定位環(huán)與支撐環(huán)上設(shè)計(jì)了絕緣結(jié)構(gòu)，確保定位環(huán)、支撐環(huán)與槍管的良好絕緣。

圖6 射孔器間觸點(diǎn)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)

2.3 緊湊型選發(fā)接頭設(shè)計(jì)

通過上述設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了分簇射孔器內(nèi)部與分簇射孔器之間的無導(dǎo)線裝配。原有分簇射孔器中間長度較長，需要連接導(dǎo)線的旁開孔選發(fā)接頭就需要重新設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)的緊湊型選發(fā)接頭需要滿足觸點(diǎn)雷管的安裝空間，以及與上下兩支分簇射孔器的觸點(diǎn)聯(lián)通。尤其需要確保觸點(diǎn)雷管的發(fā)火端與傳爆管距離控制在殉爆距離內(nèi)，且不能太近以免在裝配時(shí)相互擠壓致使誤起爆。

2.4 射孔器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所研制的觸點(diǎn)式分簇射孔器由分簇射孔器和選發(fā)接頭2部分組成，其中分簇射孔器又由射孔槍管、彈架彈性定位環(huán)、彈架、射孔彈絕緣套、射孔彈、導(dǎo)爆索、彈架硬性支撐環(huán)、傳爆管組成。選發(fā)接頭由觸點(diǎn)雷管和雙公接頭組成，其中觸點(diǎn)雷管主要包括信號(hào)輸入彈簧和信號(hào)輸出觸針，如圖7所示。

1-射孔槍管；2-彈架彈性定位環(huán)；3-彈架；4-射孔彈絕緣套；5-射孔彈；6-導(dǎo)爆索；7-彈架硬性支撐環(huán)；8-傳爆管；9-信號(hào)輸入彈簧；10-觸點(diǎn)雷管；11-雙公接頭；12-信號(hào)輸出觸針。

觸點(diǎn)式分簇射孔器工作原理[15-16]為：當(dāng)分簇射孔器管串輸送到井下預(yù)定位置后，最上端分簇射孔器彈架彈性定位環(huán)將接收到由地面點(diǎn)火系統(tǒng)下發(fā)的選發(fā)信號(hào)，該信號(hào)繼續(xù)通過彈架、彈架硬性支撐環(huán)傳遞到觸點(diǎn)雷管信號(hào)輸入彈簧。隨后觸點(diǎn)雷管對(duì)接收到的選發(fā)信號(hào)進(jìn)行判斷，如能與其選發(fā)地址匹配，則可直接點(diǎn)火起爆該雷管并依次引爆傳爆管、導(dǎo)爆索、射孔彈，完成該簇分簇射孔器的射孔作業(yè)；如果無法與其選發(fā)地址匹配，則將接收到的選發(fā)信號(hào)通過信號(hào)輸出觸針繼續(xù)向下傳遞至相鄰分簇射孔器，直到找到與該選發(fā)信號(hào)地址匹配的觸點(diǎn)雷管。按此原理，完成所有分簇射孔器的點(diǎn)火起爆。

3 室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

為了評(píng)估觸點(diǎn)雷管的安全性、抗震性、可靠性，結(jié)合觸點(diǎn)雷管現(xiàn)場使用條件及環(huán)境，設(shè)計(jì)了靜電感度試驗(yàn)、抗交流/直流試驗(yàn)、抗震/跌落試驗(yàn)、發(fā)火試驗(yàn)[17-20]。試驗(yàn)情況如表1，試驗(yàn)表明觸點(diǎn)雷管安全可靠。

表1 觸點(diǎn)雷管室內(nèi)試驗(yàn)情況

為了驗(yàn)證觸點(diǎn)式分簇射孔器耐溫耐壓指標(biāo)，以及通訊穩(wěn)定性、點(diǎn)火可靠性，設(shè)計(jì)了高溫高壓試驗(yàn)及試驗(yàn)井多級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)。首先將4支裝配觸點(diǎn)雷管的分簇射孔器連成1組(內(nèi)部未裝配射孔彈、導(dǎo)爆索及傳爆管)，其上端采用裝配模擬觸點(diǎn)雷管(無雷管)的選發(fā)接頭封堵(如圖8所示)，總計(jì)組裝4組進(jìn)行高溫高壓試驗(yàn)。高溫高壓試驗(yàn)曲線如圖9，在140 MPa、150 ℃工況下保溫保壓4 h，4組試驗(yàn)管串外觀均無變形、內(nèi)部均無滲透。

圖8 觸點(diǎn)式分簇射孔器高溫高壓試驗(yàn)管串

圖9 觸點(diǎn)式分簇射孔器高溫高壓曲線

隨后將射孔彈、導(dǎo)爆索及傳爆管與16支高溫高壓試驗(yàn)后的分簇射孔器裝配一起(每支裝配射孔彈5發(fā)/藥量105 g)，通過電纜傳輸至試驗(yàn)井設(shè)計(jì)井深后，從下至上依次選發(fā)點(diǎn)火第1支至第16支觸點(diǎn)式分簇射孔器，點(diǎn)火成功率100%，射孔發(fā)射率100%。

室內(nèi)高溫高壓及多級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)表明，觸點(diǎn)式分簇射孔器滿足140 MPa、150 ℃的設(shè)計(jì)要求，具備雙向承壓能力，整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，能滿足現(xiàn)場多簇射孔需求。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

觸點(diǎn)式分簇射孔器已在長寧、威遠(yuǎn)、昭通、太陽-大寨頁巖氣區(qū)塊水平井成功應(yīng)用40口井1 900余簇?，F(xiàn)場裝配11支觸點(diǎn)式分簇射孔器僅耗時(shí)45 min，較原有常規(guī)貫通導(dǎo)線式分簇射孔器節(jié)省時(shí)間67.86%；連接長度縮短為7.78 m(如表2)，較原來一次下井簇?cái)?shù)提升45.45%。減少現(xiàn)場裝配人員2人，并且完全消除了因?yàn)閷?dǎo)線連接引起的人為裝配錯(cuò)誤。為川南頁巖氣段內(nèi)多簇(≥6簇/段)壓裂改造提供了可靠的技術(shù)支撐。

表2 觸點(diǎn)與常規(guī)分簇射孔器裝配情況對(duì)比

4 結(jié)論

1) 將選發(fā)信號(hào)、雙向密封及點(diǎn)火起爆功能集成一體，優(yōu)化設(shè)計(jì)了觸點(diǎn)選發(fā)雷管，取代了原有需要連接導(dǎo)線的電雷管、電子選發(fā)器及通訊隔水塞，消除了人體直接接觸電雷管帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了觸點(diǎn)選發(fā)雷管即插即用。

2) 研制了無導(dǎo)線觸點(diǎn)式分簇射孔器，具有裝配時(shí)效高、作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度小、使用安全可靠的技術(shù)優(yōu)勢，解決了原有貫通導(dǎo)線式分簇射孔器連接導(dǎo)線多，裝配耗時(shí)長、易出錯(cuò)的難題。

3) 觸點(diǎn)式分簇射孔器在川南頁巖氣成功應(yīng)用40口井1 900余簇，其結(jié)構(gòu)緊湊、抗震能力強(qiáng)，1次下井可靠射孔15簇以上，有力支撐川南頁巖氣段內(nèi)多簇(≥6簇/段)壓裂改造新工藝的推廣，助推了國內(nèi)非常規(guī)油氣的規(guī)模效益開發(fā)。