觸點式分簇射孔器研制及在川南頁巖氣井應用

曾 波，劉 望，陸應輝，李奔馳，劉 虎,4，古志斌,5，劉家屹，馮南翔

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

隨著非常規油氣勘探開發的加快，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上產區，中國石油集團公司的預計年水平井壓裂工作量將達到2 000口、40 000段以上[1-5]。橋塞射孔聯作(以下簡稱橋射聯作)作為水平井壓裂改造的重要環節，其作業時效、作業能力與作業效果對非常規油氣規模效益開發和快速上產至關重要。但是，分簇射孔器地面裝配作為橋射聯作的關鍵環節，嚴重影響橋射聯作的作業時效和施工質量。

目前，“段內多簇+高強度加砂+大排量”儲層改造工藝已在川南頁巖氣規模化應用，橋射聯作1次下井射孔已由原來的3～4簇增加至7～14簇，原有貫通導線式的分簇射孔器面臨連接導線多、裝配耗時長、易出錯、管串長的挑戰[6-10]。因此，迫切需要研制裝配效率高、點火可靠性好、管串結構緊湊的新型分簇射孔器。

本文從電雷管、選發信號電路、機械結構3個方面開展設計研究，成功研制出無導線觸點式分簇射孔器，解決了射孔器與射孔器之間、電雷管與通訊導線之間繁瑣的連接導線問題，并成功在川南頁巖氣水平井中推廣應用。

1 總體設計方案

原有貫通導線式分簇射孔器裝配時人體直接接觸電雷管，而且裝配過程中存在連接導線多、部件雜、易出錯，以及選發接頭多、射孔管串長的問題，亟需研制操作安全、裝配方便、結構緊湊、點火可靠的觸點式分簇射孔器。其最大特點是內部沒有貫通導線，現場裝配時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線連接。分簇射孔器之間僅需1個選發接頭，極大地縮短了分簇射孔器之間的連接長度及整個射孔管柱的長度，使得1次下井能夠完成15簇以上射孔，提升了橋射聯作作業能力。

1) 無導線觸點式設計。

采用集成式模塊化設計及無導線觸點式設計，解決原有分簇射孔器部件雜、接線多、管串長的技術難題。

2) 本質安全設計。

將電雷管、電子選發器與通訊隔水塞進行集成設計，從源頭上消除因現場錯誤連接導線或通訊導線裝配受損導致點火失敗的可能，以及避免人體靜電等雜質電流直接作用在電雷管上引發的誤起爆。

3) 抗震結構設計。

電雷管采取懸掛式抗震結構設計及一體式封裝設計，射孔器簇間通訊采用彈性觸點聯通，使得射孔器具備承受多簇射孔高頻沖擊震動的能力。

2 射孔器設計

2.1 集成式觸點選發雷管設計

原有分簇射孔器的電雷管有2根腳線，為實現尋址選發起爆還需要配備專用電子選發器。現場作業時需要將電雷管(如圖1)與電子選發器(如圖2)連接，才能實現多級尋址選發點火。電子選發器有5根導線，其中2根導線與電雷管的2根腳線連接，剩余3根中的2根串聯入分簇射孔器貫通導線，另外1根則作為接地線[11-14]。為了避免已點火起爆分簇射孔器對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 帶導線電子選發器

圖3 通訊隔水塞

為實現分簇射孔器無導線裝配，就要解決電雷管與電子選發器的無導線設計問題。首先重新優化設計了電雷管、電子選發器及通訊隔水塞外形結構，將3者集成設計為1個模塊。在此基礎上繼續對其外部結構進行觸點式設計，以實現接收、傳遞選發點火信號以及接地功能，從而形成集成式觸點選發雷管(以下簡稱觸點雷管，如圖4所示)。觸點雷管采用彈簧作為信號輸入端，采用觸針作為信號輸出端，而連接螺紋則作為接地部位。采用絕緣材料對觸點雷管信號輸入、信號輸出與接地部分隔離分區，保證各信號電路之間互不干擾。設計的觸點雷管無連接導線，且具備尋址選發及通訊承壓功能，避免了人體直接接觸電雷管帶來的安全風險。此外，為了提升觸點雷管抗震能力，內部電子元件還特別采用了“懸掛式”封裝設計。現場使用時，僅需將此觸點雷管裝配在每支分簇射孔器的下端，即可自動實現觸點雷管與分簇射孔器選發信號電路的串接導通，同時保證可靠接地。

圖4 集成式觸點選發雷管

2.2 無導線選發信號電路設計

原有分簇射孔器內部采用貫通導線來傳導選發信號，將選發信號從電纜依次傳導進每一支分簇射孔器，現場裝配每一支分簇射孔器時，首先需要將貫通導線纏繞包扎在彈架上，再與電雷管、電子選發器及通訊隔水塞對應連接；當連接相鄰2支分簇射孔器時，必須先將上一支分簇射孔器的選發信號輸出導線與接地導線，以及下一支分簇射孔器的選發信號輸入導線從二者中間的旁開孔選發接頭引出，并包扎、連接。該過程耗費時間長、操作技能要求高。因此，從2個方面對分簇射孔器選發信號電路進行重新設計優化，實現分簇射孔器內與分簇射孔器間無導線。

1) 分簇射孔器內選發信號電路。

考慮到原有分簇射孔器彈架采用的金屬焊管具有良好導電性，因此直接采用彈架作為選發信號傳導體，取代分簇射孔器內部的貫通導線。為了確保彈架導電性能，對原料焊管進行了除銹處理。此外，為了消除選發信號(以及通過的點火電流)對彈架上射孔彈的影響，還設計了射孔彈絕緣套，將射孔彈與彈架絕緣，如圖5所示。

圖5 導電彈架及絕緣射孔套

2) 分簇射孔器間選發信號電路。

在觸點雷管的基礎上，僅需在彈架兩端分別設計與該觸點雷管實現選發信號聯通的觸點結構即可。為此在原有彈架兩端金屬定位環和支撐環結構基礎上，設計了位于彈架定位環的彈性觸點導電結構(如圖6)以及位于彈架支撐環的硬性接觸導電結構，分別與觸點雷管的信號輸出觸針、信號輸入彈簧無導線聯通。此外，還在彈架定位環與支撐環上設計了絕緣結構，確保定位環、支撐環與槍管的良好絕緣。

圖6 射孔器間觸點導電結構

2.3 緊湊型選發接頭設計

通過上述設計，實現了分簇射孔器內部與分簇射孔器之間的無導線裝配。原有分簇射孔器中間長度較長，需要連接導線的旁開孔選發接頭就需要重新設計。重新設計的緊湊型選發接頭需要滿足觸點雷管的安裝空間，以及與上下兩支分簇射孔器的觸點聯通。尤其需要確保觸點雷管的發火端與傳爆管距離控制在殉爆距離內，且不能太近以免在裝配時相互擠壓致使誤起爆。

2.4 射孔器整體結構設計

所研制的觸點式分簇射孔器由分簇射孔器和選發接頭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、彈架、射孔彈絕緣套、射孔彈、導爆索、彈架硬性支撐環、傳爆管組成。選發接頭由觸點雷管和雙公接頭組成，其中觸點雷管主要包括信號輸入彈簧和信號輸出觸針，如圖7所示。

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

觸點式分簇射孔器工作原理[15-16]為：當分簇射孔器管串輸送到井下預定位置后，最上端分簇射孔器彈架彈性定位環將接收到由地面點火系統下發的選發信號，該信號繼續通過彈架、彈架硬性支撐環傳遞到觸點雷管信號輸入彈簧。隨后觸點雷管對接收到的選發信號進行判斷，如能與其選發地址匹配，則可直接點火起爆該雷管并依次引爆傳爆管、導爆索、射孔彈，完成該簇分簇射孔器的射孔作業；如果無法與其選發地址匹配，則將接收到的選發信號通過信號輸出觸針繼續向下傳遞至相鄰分簇射孔器，直到找到與該選發信號地址匹配的觸點雷管。按此原理，完成所有分簇射孔器的點火起爆。

3 室內試驗及現場應用

3.1 室內試驗

為了評估觸點雷管的安全性、抗震性、可靠性，結合觸點雷管現場使用條件及環境，設計了靜電感度試驗、抗交流/直流試驗、抗震/跌落試驗、發火試驗[17-20]。試驗情況如表1，試驗表明觸點雷管安全可靠。

表1 觸點雷管室內試驗情況

為了驗證觸點式分簇射孔器耐溫耐壓指標，以及通訊穩定性、點火可靠性，設計了高溫高壓試驗及試驗井多級點火試驗。首先將4支裝配觸點雷管的分簇射孔器連成1組(內部未裝配射孔彈、導爆索及傳爆管)，其上端采用裝配模擬觸點雷管(無雷管)的選發接頭封堵(如圖8所示)，總計組裝4組進行高溫高壓試驗。高溫高壓試驗曲線如圖9，在140 MPa、150 ℃工況下保溫保壓4 h，4組試驗管串外觀均無變形、內部均無滲透。

圖8 觸點式分簇射孔器高溫高壓試驗管串

圖9 觸點式分簇射孔器高溫高壓曲線

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

室內高溫高壓及多級點火試驗表明，觸點式分簇射孔器滿足140 MPa、150 ℃的設計要求，具備雙向承壓能力，整體設計結構穩定可靠，能滿足現場多簇射孔需求。

3.2 現場應用

觸點式分簇射孔器已在長寧、威遠、昭通、太陽-大寨頁巖氣區塊水平井成功應用40口井1 900余簇?，F場裝配11支觸點式分簇射孔器僅耗時45 min，較原有常規貫通導線式分簇射孔器節省時間67.86%；連接長度縮短為7.78 m(如表2)，較原來一次下井簇數提升45.45%。減少現場裝配人員2人，并且完全消除了因為導線連接引起的人為裝配錯誤。為川南頁巖氣段內多簇(≥6簇/段)壓裂改造提供了可靠的技術支撐。

表2 觸點與常規分簇射孔器裝配情況對比

4 結論

1) 將選發信號、雙向密封及點火起爆功能集成一體，優化設計了觸點選發雷管，取代了原有需要連接導線的電雷管、電子選發器及通訊隔水塞，消除了人體直接接觸電雷管帶來的安全風險，實現了觸點選發雷管即插即用。

2) 研制了無導線觸點式分簇射孔器，具有裝配時效高、作業勞動強度小、使用安全可靠的技術優勢，解決了原有貫通導線式分簇射孔器連接導線多，裝配耗時長、易出錯的難題。

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