带电缆防烧装置高能气体压裂串

孙海军，周绍民

（黑龙江华安民爆器材有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔161000）

0 引 言

油井单独压裂普遍采用电缆输送的方式。高能气体压裂普遍存在着严重烧蚀电缆的问题。电缆上窜会造成电缆打结、掉弹、卡弹等事故的发生。为解决这一问题，国内外专家学者提出了许多抑制或缓解对策，如把电缆输送压裂作业工艺改为油管输送压裂、控制压井液液面高度、采用向上或斜向上排气法、在弹尾加辎重物法、机械安全制动法等方法。上述方法操作复杂，难度大，效果不是特别明显，况且也不能解决烧蚀电缆的问题。本文提出的电缆防烧装置成功解决了上述问题。

1 电缆防烧解决方法

1.1 增加主装药与电缆的距离

采用电缆输送压裂弹施工方式主要的难点是电缆上窜以及电缆被烧坏，前者可以通过在地面做好有效固定解决；后者在国内一直没有解决。由于压裂弹在井内燃烧后产生大量的高温高压气体，该气体推动井内液体向上移动，甚至喷出井口数米高。一旦采用大药量压裂弹施工，只能是一炮一剁电缆，井下落物经常发生，因此，该项工艺没有大量推广。为解决电缆上窜及电缆被烧坏这一难题，采用加大压裂弹主装药与电缆的距离，且在主装药与电缆接头之间增加防烧装置的办法。防烧装置一端与主装药上面的点火结构连接，另一端与电缆接头连接（见图1、图2、图3所示）。电缆接头一端的螺纹直接与电缆输送用的马龙头螺纹连接；电缆导出的电线通过防烧装置连接到点火结构上，构成点火通路。

1.2 防烧装置

防烧装置采用特制的防烧材料加工，并通过多次上井施工。该防烧结构在井内施工时可保证不打结、打扭、不变形遇卡，并且可多次重复使用。防烧装置长度可根据井况和压裂弹药量而定，其上连接电缆接头，其下连接全封闭的点火结构。

2 点火结构及作用原理

2.1 点火结构和点火方式

点火结构（见图3）由提环、密封塞、端盖、压盖、绝缘垫圈、弹簧、壳体、螺钉、雷管或电点火头、导爆索或者黑火药、扶正器及转换接头等构成。

该点火结构有2种点火方式：①电雷管引爆导爆索方式；②电点火头引燃黑火药方式。

2.2 点火机理

电雷管最终目的是可靠引爆下级爆炸元件，如导爆索、传爆管等，以实现爆轰能量的有效传递。电雷管引爆导爆索的点火方式在油气井完井作业中广泛应用。导爆索按照SY／T6411－1999标准［1］要求，以黑索金或奥克托金为药芯，纤维作包覆物，一般药量为18g／m左右。由于导爆索的爆速高，爆压大的特点，在该点火结构中需控制其长度（见图3），导爆索太短，爆轰瞬间压力无法将压裂弹中的点火主装药点燃；导爆索长度超过芯管左端面，导爆索爆轰瞬间产生的冲击波会将芯管炸裂而发生掉药现象，无法完成压裂。

另一种点火方式是电点火头引燃黑火药方式，通电后，电点火头点燃黑火药产生的高温高压燃气再点燃下面芯管中的点火主装药。

2.2.1 黑火药药量的确定

（1）黑火药是否能将压裂弹芯管中的点火主装药点燃与点火主装药所需点火压力pb有关。根据试验确定的pb值与点火空间可推算出黑火药的药量。在计算药量之前需计算出点火空间的容积V值。

（2）点火结构中金属管件的强度值由黑火药及点火主装药燃烧时产生的压力pm（20℃）决定。计算压力公式［1］

式中，p′m为计算压力即在极值情况下，t＝50℃，t＝20℃压力系数值；kp取1.1～1.2。

式中，σt为切向应力；σz为轴向应力；σr为径向应力。截面取法见图4。按第4强度理论［2］相当应力

图4 金属件截面

强度条件为

式中，［σ］为所选材料的许用应力。

（3）黑火药药量的计算。为了使问题得到简化，假设点火结构内的空间为密闭爆炸容器，按照密闭爆炸发生器的计算公式［3］

式中，pb为火药爆轰产生的压力；f为火药力，即每公斤火药做功的能力；α为余容；Δ为火药装填密度，有

式中，ω为火药质量；V为火药室体积。

将式（6）代入式（5），即可求出黑火药质量ω。有

通过理论计算可以确定出点火结构内的黑火药和点火主装药的药量［4］。

2.2.2 点火结构试验

图5 点火结构试验

通过理论计算得出的药量进行点火结构装配。在点火结构下端装配一发带有火药束的芯管；芯管内装配点火主装药（其结构见图5）。将点火结构分别在－30℃和30℃的1个标准大气压条件下进行电点火试验，考核芯管外的火药束是否被点燃。

3 压裂弹和夹层结构设计

压裂弹的结构可采用圆柱式、开槽式、梅花式等多种结构。每种结构的选择可根据井况确定。开槽式压裂弹的燃烧速度快，瞬间产生的压力高；圆柱式压裂弹的燃烧速度略慢，但产生压力可持续时间较长；梅花式压裂弹介于圆柱式和开槽式中间。

根据井况，射开层处采用带点火主装药的压裂弹，对射开层处进行压裂、造缝。而夹层处则用芯管内装填点火主装药，起传火作用，夹层用芯管之间的连接与上述的多个压裂弹的连接方式相同。

4 现场施工

带电缆防烧装置的高能气体压裂串由电缆接头、防烧装置、点火结构和压裂弹构成（其结构见图6）。该产品从2006年到2011年分别在海拉尔油田、大庆油田进行了多井次的应用。

图6 整体结构施工

通过多井次的施工和工艺改进，该产品的施工工艺已成熟完善。在现场实际12口井45井次应用，没有发生电缆烧蚀和井下落物，成功率达到了100%。表1为海拉尔部分井施工前后试井数据。

表1 试井数据

5 结 论

带电缆防烧装置的高能气体压裂串经过上井施工，尤其是在在海拉尔油田的现场试验，先后在呼和诺仁油田、苏德尔特油田、贝16断块等3个区块油田完成了多口井的现场试验，取得了良好的效果。

（1）零部件结构简单，易于加工，原材料货源充足，且价格低廉。

（2）点火结构可靠、安全，点火成功率可达100%。

（3）带防烧装置的高能气体压裂串在施工时避免了井下落物的发生，减少了输送电缆的损耗，并且可操作性强。

［1］ SY／T6411－1999标准.油气井用导爆索通用技术条件国家标准［S］.北京：石油工业出版社，1900.

［2］ 魏惠之，朱鹤松.弹丸设计理论［M］.北京：国防工业出版社，1985.

［3］ 华东工程学院一O三教研室.内弹道学［M］.北京：国防工业出版社，1978.

［4］ 鲍弘人，王德佩.固体火箭发动机原理［M］.北京：国防工业出版社，1963.