油管輸送射孔多級可控聲波起爆技術探討

于秋來,張偉民,蔡山,陳瑞,李昌松

(大慶油田有限責任公司試油試采分公司,黑龍江大慶163412)

0 引 言

油管輸送射孔主要通過投棒撞擊或者井口加壓方式引爆射孔器[1]。常用的起爆裝置、延時裝置和安全傳爆裝置及配套火工品均為一次性消耗品,起爆成本較高。另外,當井口加壓起爆時,還需要使用泵車和罐車,又額外增加了起爆費用。近年來,國內外相繼開展新型油管輸送射孔起爆技術研究。中石化勝利油田測井公司研制了一種油管輸送射孔電源棒,沿油管內投入井下,當與井下起爆裝置接觸后實現電流輸出,并起爆電雷管[2]。此外,國內外相關公司開展了以聲波作為信號載體,油管柱作為信息傳輸通道的井下信息無線傳輸技術方面研究[3-8]。其中,斯倫貝謝公司開發了Muzic井下分布式數字無線遙測系統,能夠實現雙向通信,一方面實時獲取井下測試數據,另一方面可通過無線聲波命令控制井下工具(測試閥、循環閥、取樣器)。在此系統的基礎上,開發了無線聲波eFire -TCP點火頭[9],利用地面Muzic遙測采集控制器發出無線命令,通過中繼器網絡(中繼器間隔305 m)向井下傳輸至點火頭,起爆射孔槍串。哈里伯頓公司開發了新型聲波啟動點火頭,不需要壓力或機械干預進行操作,只需要最小的靜水壓力來保證作業成功,用聲波遙測代替壓力啟動,作業更安全,更節省時間。2018年,大慶油田有限責任公司試油試采分公司開展了油管輸送射孔多級可控聲波起爆技術研究,在降低油管輸送射孔多級起爆成本的同時,也為現場施工提供更加安全、可靠的技術保障。

1 技術原理及特點

1.1 技術原理

圖1為聲波無線控制起爆技術管柱示意圖。基于聲波無線傳輸原理,地面編碼控制裝置控制聲波發生裝置發出多組特定編碼的聲波信號,這種特定的聲波編碼信號沿油管柱向下傳輸;多級井下接收裝置檢測接收到信號后,進行濾波、解調等處理;當接收的信號與各自預設的信息吻合后,發出點火指令,控制電源向雷管放電,擊發電雷管,進而起爆各級射孔槍串。

圖1 聲波無線控制起爆技術管柱示意圖

1.2 技術特點

地面控制裝置工作環境溫度為-40～40 ℃;聲波發生裝置工作電壓為220～3 000 V,適用于73 mm和89 mm油管。

井下接收裝置耐溫125 ℃、耐壓70 MPa,可連續工作24 h。聲波無線傳輸距離遠,達到2 000 m(不加中繼器),可以實現井下多級起爆控制。僅電雷管為一次性消耗品,起爆成本較低,可滿足射孔-測試聯作等特殊工藝起爆需求。

2 配套裝置和工具

2.1 聲波發生裝置

聲波發生裝置主要由主機信號輸入單元、半圓形聲波發生器、發生器外殼等組成。基于換能器發聲原理,對壓電陶瓷換能器的陶瓷片施加一個交變電場,陶瓷片時而變厚時而變薄,同時產生振動,發射高頻聲波,聲波頻率9 000～13 000 Hz。該聲波信號為1組5個聲波信號,每個聲波信號利用預設的時間間隔開(見圖2)。1組特定編碼的聲波信號以非線性聲波方式經過油管柱向下傳輸。

圖2 特定編碼聲波信號實例

2.2 編碼控制裝置

編碼控制裝置通過設置特定的編碼程序,向聲波發生裝置供電,控制聲波發生裝置發出特定編碼形式的聲波。編碼控制的原理是把聲波信號確定為通信系統所用的“字符”,然后利用摩爾斯編碼原理對該“字符”進行編碼,組成2個不同信號持續時間的標準化序列,即點和破折號或點和點。利用該編碼原理可實現多種組合編碼并可對井下多級起爆進行控制編碼。

此外,編碼控制裝置還具有自動調頻功能。自動調頻指的是檢測所接收的輸入信號的頻率,根據既定的規格來確定或更改頻率。它的工作原理是在系統開始工作的前期短時間內,地面控制系統給聲波發生裝置發出工作指令,聲波發生裝置收到指令后將電能轉換為多組不同頻率聲波動能,該聲波動能以聲波形式沿油管向井下傳輸。不同頻率的聲波在傳輸時井下會產生共振,聲波發生裝置的傳感器會檢測到共振強度最高的頻率,并反饋給地面控制系統。地面控制系統隨即把該頻率確定下來作為優化的發射頻率,指示井口傳感器利用該頻率進行信號發射和傳輸。

2.3 井下接收裝置

井下接收裝置由接收器、電池組、控制電路和信號輸出端口等組成(見圖3)。上部有圓形聲波接收器,接收器中包括1個電容器(即電容式麥克風),其振膜很薄,可以響應寬頻率范圍聲波。振動膜和緊密間隔的背板之間的電場變化將聲音信號轉換為電流,可以將其放大并轉為輸出電信號。井下接收裝置的接收和解碼原理與摩爾斯編碼的“接收和解析”功能設置一致,能夠準確識別和判斷編碼組合所代表的指令。利用該方法可以實現多組信號的獨特組合和安全識別,進行安全的多級起爆。

圖3 井下接收裝置電路示意圖

此外,井下接收裝置增加了2種安全功能設計。①設計了發火電路控制開關功能,當井下接收裝置接收的信號與預設信號匹配后,接收裝置向繼電器開關發送1個電信號,控制繼電器開關的通斷;利用繼電器實現電源與雷管間的電路導通控制,提高施工安全性。②增加了接收裝置延時喚醒功能,裝置的工作啟動時間可調范圍為0～300 min。由此,在地面連接以及一定深度管柱下入過程中,接收裝置始終處于休眠狀態,既節約電池電量,也可降低下管過程中的起爆風險。

3 模擬試驗

3.1 油管傳輸試驗

將聲波接收裝置連接在油管下端。地面模擬發射和接收試驗;工具下井,下入5根油管,起出并回放數據;再分別下入油井中100、150、300、500、800、1 000、1 200 m和1 500 m層段處,起出下井工具并回放數據,檢驗油管柱中聲波的傳輸性能(見圖4、圖5)。

圖4 1 000 m測點信號

圖5 1 500 m測點信號

通過數據回放,各測量點未發生信號數據丟失情況,信號接收比較穩定。聲波衰減幅度很小,每100 m衰減10 dB,地面系統增壓至2 kV后,聲波信號可沿油管柱可靠傳輸2 000 m。

3.2 編碼控制傳輸試驗

編碼控制裝置設定3種特定編碼信號開關(3個不同顏色的開關),控制聲波發生裝置發出不同的聲波信號。信號沿管柱和槍身向下傳輸至接收裝置,檢查發光盒的三色燈是否正常點亮。試驗管柱從上到下包括聲波發生裝置、3根油管、2根槍管、接收裝置、繼電器、電源、發光盒。試驗中,3種特定聲波信號發出后,發光盒對應顏色的LED燈正常閃亮,表明信號輸出正常,分級控制功能可靠。

3.3 聲波控制發火試驗

編碼控制裝置的紅色編碼信號開關控制聲波發生裝置發出特定的聲波信號,信號沿3根油管向下傳輸至接收裝置,當與接收裝置預設信號吻合后并點亮紅色的LED燈,同時繼續輸出電流起爆雷管。試驗管柱從上到下包括聲波發生裝置、3根油管、2個接收裝置、繼電器、發光盒、電源、雷管。通過試驗,發出控制信號后,雷管正常起爆,表明聲波控制雷管起爆方案可行。

4 結 論

(1)通過不同深度聲波傳輸試驗的信號分析,聲波信號接收比較穩定。按目前設計的聲波頻率及能量,可實現聲波信號沿油管柱可靠傳輸2 000 m。

(2)結合油管傳輸試驗和聲波控制發火試驗結論,初步驗證了多級可控聲波起爆技術的可行性。下一步,還需對井下接收裝置的抗震性進行完善,并通過現場試驗,進一步完善該工藝。