页岩气开采用分簇射孔与桥塞联作技术研究

常　昕，周　曌

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

页岩气开采用分簇射孔与桥塞联作技术研究

常昕，周曌

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

为实现电缆分簇射孔起爆技术和电缆桥塞火药座封技术的国产化，基于压力导通式分簇射孔起爆技术的实现过程与原理，通过试验检验了重要部件与整体的可行性，并通过井下试验验证了其起爆的可靠性；同时，进行了电缆桥塞火药配方的设计与试验，点火可靠性试验表明采用新型火药的电缆桥塞座封工具的燃烧压力峰值可达90MPa，桥塞座封可靠，此外，对电缆桥塞座封工具的火药装药量、温度对火药燃烧p——t曲线的影响进行了理论计算，得到了药量与压力的关系。模拟与实际井下试验表明研究的分簇射孔和电缆桥塞火药座封技术满足页岩气开采需求。

起爆；页岩储层；射孔；电缆桥塞火药

页岩气资源已成为全球非常规天然气勘探开发的热点，它的成功开采源于理论与技术的突破性进展。在完井方式方面，Mayerhofer等人[1]提出了“油藏的体积改造”观点，并通过对Barnett页岩某累积产量的对比分析，验证了改造体积越大、增产效果越好的结论[2-3]。这一理念带动了新技术的研究和应用。

分簇射孔与电缆桥塞联作工艺是体积改造工艺的一个重要分支，其中的分簇射孔起爆技术和电缆桥塞座封技术是该工艺的关键技术。分簇射孔起爆技术能够一次输送多支射孔器下井，对不同深度的射孔层位进行分级多次起爆射孔，极大地提高了射孔效率，降低了劳动强度，并可显著提高施工的安全性。电缆桥塞火药是电缆桥塞座封工具的动力源，桥塞座封工具利用火药燃烧产生的高压气体来推动桥塞，使其座封于套管内壁。相比常规井内套管，页岩气井内套管尺寸更小，致使火药的稳定燃烧更难；井内压力更高，因而要求火药的做功能力更大。笔者对分簇射孔起爆技术和电缆桥塞座封技术进行研究，通过性能试验及井下试验验证了两项技术能够满足井下实际要求。

1　分簇射孔起爆技术与性能试验

1.1分簇射孔起爆技术

现在，主流的控制分簇射孔起爆技术有两种:编码控制式分簇起爆技术、压力导通式分簇射孔起爆技术。编码控制式分簇起爆技术的特点是可以进行选择性射孔，而压力导通式分簇射孔起爆技术以其作用可靠、耐温超过160℃、价格低廉的特点被广泛使用。

压力导通式分簇射孔起爆装置利用井内液压或者射孔弹爆轰后产生的压力作用，实现射孔枪间压力开关的接通与断开功能。在射孔枪起爆前，该装置实现由上向下接通起爆电路，地面发送第1次起爆信号，起爆第1级射孔枪；第1级射孔枪起爆以后，压力进入起爆后的射孔枪体内，压力作用于分级射孔液压转换装置的输入端，推动压力开关断开下级枪，利用压力转换装置的内部机械机构，接通第2级射孔枪的起爆电路，实现分级射孔的目的；依此类推，逐级地断开下级射孔枪，接通上级射孔枪，完成逐次点火起爆射孔枪的目的，如图1所示。

图1　分簇射孔起爆装置连枪示意图Fig.1　Schematic of the cluster perforating initiation device in perforating system

1.2各主要零部件

分簇射孔技术主要依靠机械动作和电子器件来完成控制每一级射孔枪和电缆桥塞座封工具的起爆、点火过程。连接在每级射孔枪之间的压力导通式分簇射孔起爆装置主要包含以下几个零部件：压力导通开关、直插式插针、二极管、导线、本体，其连接原理如图2所示。压力导通开关在系统中起到在下一级射孔枪作用后，断开连接下一级射孔枪，将上一级射孔枪相连接，形成上一级射孔枪的闭合回路。二极管具有正向导通、反向不导通的作用，在每簇射孔枪起爆端处设置正负极不同的二极管结合，起爆时采用正负电的方式可以防止误起爆的发生。

图2　压力导通式分簇射孔起爆装置原理图Fig.2　Schematic of the cluster perforating initiation device by pressure

1.3性能检验

页岩气开采或者对于超深井的开采多在4 000m以上，要求器材耐温需要达到160℃/48h以上。组成分簇射孔起爆装置的部件中，压力推动开关内部为胶体填充，受热会膨胀；二极管则对温度较为敏感，所以选择时需要对其耐温性能进行检验。现用电热干燥箱对其进行耐温160℃/48h试验，并用万用表测试其导通状况，结果如表1所示。

表1　耐温导通试验结果Tab.1　Testing of conducting under high temperature

一般在一级射孔枪未起爆的情况下，压力导通开关处于不导通状态；当该级射孔枪起爆后压力进入或管串泄漏时，该级上端的压力开关导通。表2为压力开关性能的试验结果，利用加压油泵在输入端输入1.0MPa压力时，输出端没有接通回路；当大于3.2MPa时，压力开关顺利导通，验证了开关导通性能良好。

表2　压力导通开关性能检测试验结果Tab.2　Character testing of conducting

1.4连枪试验

试验采用3簇射孔枪与分簇射孔起爆装置进行连接，射孔枪内用导爆索代替射孔弹，采用分级射孔检测仪进行起爆和检测。试验前对线路的通断状态进行检验，达到标准后开始进行起爆和检测。当第1簇射孔枪起爆后，分级射孔起爆仪显示第1簇处于断路状态，第2簇射孔枪处于通路状态，可以进行第2簇的起爆，依次进行了第2簇与第3簇的起爆。试验结束后，将弹架取出，可见导爆索爆炸完全，如图3所示。

图3　导爆索被可靠起爆Fig.3　Initiation of detonating cord

该技术在原理上可以实现，通过各主要部件性能试验与整体试验的验证为井下试验完成了前期工作。

2　 电缆桥塞火药做功技术

电缆桥塞座封过程是个缓慢的过程，因此电缆桥塞火药是一种慢燃速的复合火药。选择了以NaNO3、环氧树脂、固化剂为基础配方进行燃烧试验，通过图4 所示装置进行燃烧压力测试试验。

图4　火药压力测试装置Fig.4　Pressure testing device for propellant

2.1火药配方试验

首先对所选药剂进行了零氧平衡计算，并考虑固化剂的质量为环氧树脂质量分数的30%左右时，电缆桥塞复合火药的固化效果最好，可算得wNaNO3≈86%，w环氧树脂≈11%，w固化剂≈3%。普通火药为负氧火药，火药中氧化剂与可燃物之间发生氧化反应的氧平衡系数一般在0.5～0.7左右[4]。得到表3配方。

表 3　初步试验配方Tab.3　Original formulations for test

按表3中每个配方制备3发火药筒，放在密闭试验工装内做燃烧试验。结果配方1和配方2的药筒均发生断火现象，如图5所示；配方3的药筒燃烧不充分，火药残余量较大，也存在断火的现象；配方4的火药可以稳定燃烧，没有断火现象产生，燃烧残渣较少。

在初步获得了火药配方组成后，将表3中的配方4调整成3个配方，见表4。按照3个配方各装药450g，做密闭容器内的燃烧压力测试，3组配方均完全燃烧，测试的平均结果如图6所示。

表4　试验配方Tab.4　Test formulations

图 5　火药燃烧不完全Fig.5　Breakdown of propellant combustion

图6　不同火药配方燃烧后的平均峰值压力Fig.6　Average peak pressure of different formulations

由以上试验可以看出，表4中配方1的氧化剂含量较高，火药燃烧更加充分，峰值压力最高，说明该配方是最优的配方组成。

2.2试验数据的修正

火药燃烧性能试验主要是在地面进行的模拟试验，由于环境温度低，致使测得的压力偏低于井下座封产生的实际压力。密闭爆发器测试是一个假定的定容绝热过程，而实际过程存在对器壁加热的热能消耗。应三九[5]对于密闭爆发器试验中火药的燃烧压力曲线提出了修正方法，根据该方法对测得的压力曲线进行处理。首先，对膨胀功进行忽略，根据压力下降的过程使用最小二乘法拟合一条直线，见图7，拟合的直线为：y=-0.43x+90.6，获得其斜率∏=0.43。

带入参数，通过式（1）[5]进行计算，结果如图8所示。

式（1）中：∏为压力下降段曲线最小二乘拟合直线的斜率；Pψ为爆发器内测得的火药燃烧的压力；P0ψ为修正后的火药燃烧压力；α为火药的余容；△为火药的填装密度；ρP为火药密度；ψ为燃烧百分数；tb为点火燃烧结束时间；tψ为从可靠点火后的燃烧时间。

从上述结果中可以发现散热对地面实验结果影响较大，致使压力损失较大。实际实验中电缆桥塞火药在刚开始燃烧阶段容易断火，这可能是燃烧初始阶段压力损失致使火药维持燃烧的温度与压力不足；当爆发器做完一组试验后再进行时，往往测得的压力比上一组高，这可能是由于环境温度上升减少了压力损失。

图7　压力下降过程的拟合直线Fig.7　Fitting straight line of the descending process of pressure

图8　修正后爆发器中火药燃烧压力Fig.8　Amended pressure curve in closed bomb

2.3点火可靠性

新型电缆桥塞座封工具是为页岩气开采的特殊工艺或井况所服务的，不同井场采用的点火方式可能有所不同。故对油田可能所采用的点火方式与桥塞火药引燃的兼容性进行试验，结果见表5。从表5数据可以看出，电缆桥塞火药可以由常规的点火方式可靠引燃，并能稳定燃烧。

表5　点火可靠性试验Tab.5　Reliability testing of igniting

2.4药量的选择

由于井深、井温等井况的不同，电缆桥塞所配备的卡瓦、拉断环均有差异，桥塞工具多以系列化供射孔施工设计部门选择，其搭配的电缆桥塞火药的做功能力也需以系列化予以搭配。因此，研究火药做功能力与药量的关系是一项很重要的工作。在先期的工作中，累计了大量火药药量与密闭容器内测得压强的关系数据，如图9所示。采用origin拟合工具对数据进行公式拟合，结果见表6。经过比较，采用指数型拟合公式拟合效果最优，可以满足使用要求，其95%置信度下的置信区间可以为实际药量选择提供可靠依据，如图10所示。

表6　药量与压力拟合关系Tab.6　Fitting curve of relationship between pressure and mass

图9　药量与密闭容器内测得压强的关系Fig.9　Relationship between pressure and mass of propellant

图10　指数函数拟合曲线Fig.10　Exponential fitting curve

3　模拟井下试验与井下试验

采用分簇射孔起爆工艺在国内某油田进行了5口井的下井试验，每口井的具体井况和设计的起爆次数如表7所示。

表7　电缆分簇射孔工艺上井试验参数Tab.7　Test parameters in oil field with cluster perforating method

试验均使用89射孔枪，配套使用DP41RDX-1型射孔弹，为最常用射孔器材。试验过程中待射孔的射孔枪由2簇起爆到5簇起爆不等，分别对应不同的射孔层段。试验过程中连枪过程顺利、简便，逐渐增加射孔层段，均可靠起爆，证明其原理上可行；而且，增加射孔枪内载弹量并未对分簇起爆系统造成结构性的损坏。

火药的座封能力主要表现在推动桥塞卡瓦座封于套管内壁，然后剪断拉断环使座封工具与电缆桥塞相分离。图11是桥塞座封工具与桥塞连接以后的实际图片，座封工具上开孔接压力传感器测得的压力曲线如图12所示。

图11　桥塞座封工具实物图Fig.11　Picture of the electric plug tools

图12　模拟井下试验的P——t曲线Fig.12　P——t curve of simulated underground test

从图12P——t曲线可以看出，电缆桥塞火药燃烧过程缓慢，保证了电缆桥塞座封过程的可靠性与安全性。最终桥塞可靠座封于套管内，并和桥塞座封工具脱离，压力突降处可以辅助证明。

4　结论

针对分簇射孔与桥塞连作工艺的需要，从原理上说明了压力导通式分簇射孔起爆装置的可行性，并对各主要部件进行了选择与检验。对分簇射孔起爆装置的模拟井下试验证明了依靠压力导通方式进行选择性射孔是可行的。研制出的电缆桥塞火药能够满足页岩气用新型电缆桥塞座封工具的使用要求，具有燃速缓慢、座封压力大于90MPa的特点，点火可靠，适用于油田常规的点火方式。针对实际井况对药量的需求进行了计算，计算效果可以满足工程使用。通过理论计算方式，得到电缆桥塞火药在高温下座封能力曲线，弥补了试验条件无法满足评价井下真实情况的不足。

通过5口井以及多射孔层段的实际井下试验，验证了压力导通式分簇射孔起爆技术的可靠性；模拟井下的电缆桥塞火药燃烧座封试验以及压力测试，都证明了电缆桥塞火药的座封能力。以上的研究证明了两项技术可以满足井下实际应用，可以实现页岩气开采完井过程中分簇射孔起爆技术与电缆桥塞火药座封技术的国产化。

[1] Mayerhofer M J, Lolon E P, Warpinski n r,et al.What is Stimulated Reservoir Volume [C]// SPE Shale Gas Production. NewYork:SPE,2008.

[2] 王淑玲,张炜,张桂平,等.非常规能源开发利用现状及趋势[J].中国矿业,2013,22(2):5-8.

[3] 胡文瑞.开发非常规天然气是利用低碳资源的现实最佳选择[J].天然气工业, 2010,30(9):1-8.

[4] 李凤生,郭效德,刘冠鹏.新型火药设计与制造[M].北京：高等教育出版社,2007.

[5] 应三九,肖正刚, 徐复铭. 密闭爆发器实验中发射药燃烧全过程压力曲线的修正方法[J].火炸药学报,2007,30(4):62-69.

Study on the Technology of Cluster Perforating and Pump-down Plug in Shale Reservoirs Developing

CHANG Xin，ZHOU Zhao
（Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute，Xi’an，710061）

In order to realize the practical application of cluster perforating and pump-down plug method for shale reservoirs developing, based on the mechanism and process of cluster perforating, the feasibility of the integral parts and the whole system were verified by test, and the initiation reliability was tested underground. Meanwhile, a new propellant for cable plug in shale gas developing is designed, the propellant can be ignited successfully by the usual methods and reach the top pressure above 90MPa. And the effect of mass, temperature on burning pressure is calculated, then the relation between mass of propellant and pressure was obtained. The simulation and oil field test indicated the two technologies meet the requirement of shale reservoir developing.

Initiation；Shale reservoir；Perforation；Cable plug propellant

TJ45+9

A

1003-1480（2015）01-0049-05

2014-11-27

常昕（1988-），男，在读硕士研究生，从事石油民爆技术研究。