分簇射孔起爆技術在非常規油氣井中應用

朱元飛

摘 要：橋塞點火器及雷管起爆技術是泵送橋塞射孔技術中的安全和質量的保障。國外油氣井多采用射頻安全電子編碼點火器及雷管，國內點火起爆技術在機械控制、編碼控制等方面做了大量研究，但在安全性和適用性等方面與國外仍有一定的差距。頁巖油氣井點火及起爆技術需考慮設備能力和工程環境，提高安全性、可靠性、可操作性，向智能化發展。

關鍵詞：泵送橋塞射孔;點火;起爆;智能化

1 前言

在頁巖氣等非常規油氣資源射孔完井中，泵送橋塞射孔技術是主要配套技術之一[1]。泵送橋塞與分簇射孔聯作工藝一次下井可完成橋塞和多支射孔槍分簇射孔作業，為頁巖油氣水平井分段“體積壓裂”提供壓裂通道，提高了施工效率，確保了工程安全[2]。隨著技術不斷發展，DYNA、Hunting、川南等國內外公司開發的編碼選發式雷管，以其簡單易操作與高可靠性在國內非常規射孔完井中實現了廣泛應用。

2 編碼式控制分簇射孔起爆技術

2.1 編碼控制式分簇射孔原理

編碼式分簇射孔起爆技術是非常規油氣開發中的一種新型的起爆技術，以單芯電纜為載體，通過地面系統向井下發送不同的控制命令，來控制打開某一簇射孔器的電子開關，并接通該級射孔器雷管，從而實現可選擇性射孔。

在分段多簇射孔作業中，多簇射孔槍通過編碼控制式分簇射孔總成級聯在電纜上，地面控制系統通過纜芯下發控制脈沖序列，控制每個電子開關A和B的關閉或打開，從而準確地定位所要選擇引爆的射孔搶，然后下發點火信號，最終實現多級可控射孔。三簇射孔控制電路原理如圖1所示。

2.2 電子開關安全性控制

為確保對每級電子開關的準確控制，首先采用固定地址進行校驗，無論控制電子開關的A或B那個開關，都會返回該開關固定的ID地址，并進行人工確認和校準;其次是A、B開關互鎖，當某級電子開關的A開關動作時，會鎖定B開關不再響應任何命令，從而確保B開關不會誤操作。同理，B開關動作時，會鎖定A開關，從而確保A開關不會誤操作;第三，采用雙B開關通道設計，提高了雷管控制開關電路的防擊穿能力，從而提高作業安全。第四，軟件控制。地面檢測儀地面檢測槍串時，僅發送A命令，控制雷管通路的B命令被屏蔽，確保了地面檢測安全。

2.3 技術分析

國內外開發的編碼式控制分簇射孔系統基于的基本原理是相同的。但不同的是：①國內配套的起爆裝置多采用電阻式、磁電式雷管或點火器，通過高電壓和大電流點火引爆，在火工品本質安全性方面存在一定缺陷;②電子開關與雷管多采用分體式設計，增加了施工環節的復雜程度，影響了施工效率;③國內開發的電子開關大多能夠與不同類型的雷管匹配使用，可選擇性較為廣泛，通用性較強。

總體受電路控制和起爆技術的限制，國內產品在可靠性和安全性方面與國外存在一定差距。

3 機械控制分簇射孔起爆技術

3.1 基本原理

機械控制分簇射孔起爆裝置主要由壓控開關本體、控制電路、點火插針等組成。工作原理是利用射孔后井內的液壓作用，實現槍間壓力開關的接通與斷開，逐級實現多簇射孔，如圖2所示。第一級射孔槍起爆后，井內壓力作用于壓力導通開關的輸入端，推動壓力開關斷開下級射孔槍，接通第2級射孔槍起爆電路，使第2級射孔槍處于待射狀態，以此類推完成分簇射孔。壓力式機械控制分簇射孔是利用二極管的單向導電性能，在橋塞點火器和每簇射孔槍起爆端設置有正負二極管，采用正負電交替點火的起爆方式，避免了誤起爆。

3.2 起爆方法

壓力式機械控制分簇射孔起爆組件可采用EBW、EFI、大電阻雷管（大于50歐姆）、磁電雷管等，配套大電阻橋塞點火器或隔板起爆器，結合正負二極管，采取正負直流電點火方式，實現橋塞和射孔槍的點火和起爆。EBW和EFI雷管不含敏感的起爆藥，只在強電流脈沖作用下引爆，具有防靜電、防電磁輻射、防雜散電流的特性，本質安全性較高。

3.3 安全設計

為了確保施工安全，國內某公司開發了一種壓力控制式安全裝置，其連接在末級射孔槍頂端，用于控制泵送橋塞射孔管串的電路導通。在無壓力狀態下，該裝置使電纜纜芯與射孔槍點火線路物理斷開。當射孔槍串進入壓力環境后，該裝置在液體壓力作用下使電纜纜芯與點火線路接通。壓力控制式安全控制裝置在一定程度上杜絕了漏電、人員誤操作等引起的地面誤爆。

3.4 技術分析

壓力式機械控制分簇射孔起爆技術在非常規水平井中得到了推廣應用，取得了比較好的效果，但也暴露出了一些技術問題。

3.4.1起爆技術

磁電雷管和大電阻雷管都采用敏感的起爆藥，容易受震動、靜電、射頻等外界環境的影響，在一定程度上降低了火工品的本質安全性。

壓力式機械控制分簇射孔起爆技術只能采用由下至上逐級順序式點火方式，一旦某一簇點火失敗，便無法完成后續射孔槍的正常點火，無法實現選擇性射孔，存在一定的技術局限性。

3.4.2 安全控制技術

在非常規油氣井帶壓射孔作業中，需要配套井口壓力控制裝置建立與井內相同的壓力，才能打開井口閘板下入射孔槍串。井口建立平衡壓過程中，壓力控制式安全裝置在壓力作用下上下導通，使射孔槍串處于電路導通狀態，存在一定的安全風險。

4 頁巖水平井射孔起爆技術發展趨勢

泵送橋塞射孔聯作安全點火及起爆技術，需綜合考慮設備能力和工程環境，提高安全性、可靠性和可操作性。采用多重安全保障設計技術的智能化全集成防射頻雷管，將成為頁巖油氣井泵送橋塞射孔安全起爆技術的發展方向。

針對井筒壓力高、套變等特殊井況，常規的連續油管輸送方式無法實現多簇射孔與橋塞聯合作業，需要多次下井才能完成，增加了發生工程問題的概率。目前，國外已經開發出壓力編程起爆系統，根據井況，通過溫度、壓力、時間等多重參數進行起爆程序編譯與設置，當橋塞和射孔器到達位置后，啟動起爆程序，激發供電程序，井下電池自動供電完成橋塞和分簇射孔，實現智能多級分簇起爆。因此，連續油管分簇起爆技術將朝著智能化可控起爆的方向發展。

5 結論

①低電壓控制的集成式防射頻安全電子編碼點火器及雷管，具有較好的可靠性、適用性、安全性和可操作性;②高溫高壓井筒環境下，起爆系統設置流體據傳功能確保了工程安全;③國內開發的分離式編碼控制系統和起爆系統，受電路控制和起爆技術限制，在可靠性、安全性、可操作性等方面與國外仍有一定差距;④高電壓、大電流起爆技術，對于控制元器件要求較高，在安全控制及推廣應用上有一定的局限性;⑤壓力控制式安全裝置無法在有壓力的井口附近斷開控制纜芯與點火線路，存在安全隱患;⑥應形成一套適應國內特點的油氣井射孔起爆安全標準，用以指導射孔安全起爆技術的發展。

參考文獻：

[1]劉洪林，王紅巖，等.非常規油氣資源發展現狀及關鍵問題[J].天然氣工業，2009，29（9）：113-116.

[2]龐長英，連軍利，吳一凡，等.美國頁巖油氣開發技術及對我國的啟示[J].石油地質與工程，2012（5）：62-66.