编码式多级点火分簇射孔技术

刘 腾，慕光华，成随牛，贺红民，赵双庆，林泽凯，刘 杨

(中国石油集团测井有限公司 陕西 西安 710077)

·仪器设备与应用·

编码式多级点火分簇射孔技术

刘 腾，慕光华，成随牛，贺红民，赵双庆，林泽凯，刘 杨

(中国石油集团测井有限公司 陕西 西安 710077)

多级点火分簇射孔技术是复合桥塞-分簇射孔工艺技术中十分重要的技术环节之一。多级点火分簇射孔技术主要控制复合桥塞的点火座封和多簇射孔器的分级点火起爆。为了实现选发射孔，往往采用编码式电子开关来控制点火，这样就大大提高了施工作业的安全性和成功率。

多级点火，选发射孔，编码式电子开关

0 引 言

多级点火分簇射孔技术是利用单芯电缆将串接在一起的多个射孔器下放到井内预定位置后，根据井下射孔层段要求，从底部开始逐层进行分级点火。目前分级点火技术主要通过两种方式来实现[1]：一是采用压力机械开关装置，由下部射孔枪起爆后，产生的爆炸压力推动机械开关闭合，接通上部射孔枪雷管，实现电缆分级射孔。若某级压力开关未闭合，则本级和后级射孔器无法点火起爆；二是利用可编码的电子开关技术，通过地面仪器控制可编码电子开关，有选择性地将电雷管与缆芯导通，完成分级点火。本文主要介绍的是可编码电子开关技术。

1 技术原理

编码式多级点火分簇射孔技术是将可编址的电子开关与雷管一一对应，通过地面仪器控制可编址电子开关通断，选择性地将相应电雷管与缆芯导通，完成分级点火，安全可靠。编码式多级点火分簇射孔串接的下井射孔器数量比较多(10～20级)，可以跳过故障级对后一级进行点火，提高了分簇射孔的下井一次成功率。主要有三种形式：无地址电子选发开关、浮动地址电子选发开关、固定地址电子选发开关。

2 无地址电子选发开关

无地址电子选发开关[2]内部包含A、B两个脉冲解码器和与其相对应的开关，当上位机发出脉冲序列A时，经由解码器A进行解码，闭合相应的A开关，接通下级电路；当上位机发送的脉冲序列B时，通过B解码器闭合B开关接通雷管电路。如图1所示。

图1 无地址选发开关示意图

由于无地址编码电子开关没有选址功能，因此必须使用专门的数码雷管才能更安全有效地进行选发点火，数码雷管由雷管、编码器和起爆器组成，如图2所示。起爆器中的电熔丝可以通过输入几安培的电流直接点火；而数码雷管是通过一个内置的电容对电熔丝进行点火，电容由毫安级的小电源充电，充电和放电由集成在雷管编码器上的电子芯片来控制。

图2 数码雷管

而数码雷管的集成电路部分主要包括模拟电路、数字电路和点火模块，如图3所示，通过脚线输入的电压门槛可以限制在20 V以内，可以屏蔽很多过高的外部电压；而通信信号则直接进入单片机进行逻辑运算和处理，经过整流后的电流，通过充电控制器给电容充电。

图3 数码雷管的集成电路框图

在整流器和初级能量存储器之间有一个数字可调的充电控制器，它可以给电容器充电直到最低的电子线路工作电压，使检测电路和放电控制电路以及发火控制电路能正常工作。

单片机通过输入的信号来判断下一步的命令，单片机控制放电电路和点火电路，同时检测电路可以随时对单片机的运算进行检测，执行点火命令时，发火控制电路工作，给点火装置供电进行点火。

如果长时间不进行点火操作，在计数1 min后，单片机就会复位。

无地址电子选发开关设计简单，只是通过两个脉冲序列来控制与雷管的导通，配合特定的数码雷管使用安全性高，但是只能使用单一的数码雷管，而且数码雷管进口手续繁杂、周期长，给使用带来不便。

3 浮动地址电子选发开关

浮动地址选发开关主要由以下几个部分组成：主控制电路、编译码控制电路、点火控制电路、级联控制电路。开关供电后便进入正常工作模式，等待地面控制仪的下发命令。地面控制仪下发的命令通过编译码电路进行整形、滤波、转换，然后被主控制电路接收译码，主控制电路通过接收到的命令再进一步控制点火控制电路，级联控制电路等。如图4所示。

图4 浮动地址选发开关示意图

开关接收到的命令包括：编址命令、级联命令、测试命令和点火命令。编址命令可以给每级开关按照连接的顺序赋予一个唯一的地址，从而使每级开关都有确定的ID编号，进而可以通过ID识别及ID验证对每一级开关进行有效的控制。本级开关接收到编址命令后，便进入启动状态，可以继续接受相应ID的控制命令，当接收到点火命令后，主控电路会控制点火电源电路及点火驱动电路完成DC-DC升压及恒功率输出，从而达到引爆雷管的目的；当接收到级联命令后，本级开关退出启动状态，进入休眠状态，不再接收地面控制仪下发的控制命令。本级开关进入休眠状态后，会通过控制电路启动下一级开关，下一级开关重新接收编址命令……以此类推，可以完成开关的多级级联功能及点火功能。如图5所示。

图5 浮动地址电子选发开关内部结构

浮动地址电子选发开关不受雷管的限制[3]，通用性好，可以起爆多种雷管，如磁电雷管、大电阻雷管、EBW雷管和EFI雷管均能起爆，但在过高的温度条件下容易出现编址错误的情况。

4 固定地址电子选发开关

固定地址电子开关[4]在写入控制程序时，都向其灌封固定的不同于其他开关的地址，每个开关具有唯一的身份编码。这些地址编码不可篡改。共有65 535个地址不重复，通信时，系统首先会自动核对地址，记录下每个电子开关的地址，然后通过选定这些不同的地址来选定其对应的开关，完成检测、点火等一些列命令。这些命令必须由特殊的面板进行发送，为了安全起见，往往采用正负电来进行通信和点火，确保通信时不会触发雷管。如图6所示。

固定地址的选发开关主要由通信电路和主控制电路组成，通信电路是用来完成跟控制面板的通信，接入电缆，接收从控制面板发出的信号，然后通过限幅、整流、滤波后采集出有用信号进入解码器对信号进行解码，来判断发出的指令是点火、检测还是进入下一级开关，经过解码的信号再进入主控制电路来完成下一步的操作。

图6 固定地址电子选发开关的示意图

在主控制电路中，往往会采用MCU单片机作为控制电路的核心，配合外围电路完成对整个系统进行控制，当经过解码的信号进入控制器中，MCU控制相应的开关闭合来达到接通下一级电路功能。如图7所示。

图7 固定地址电子选发开关连接示意图

固定地址电子选发开关由于每一个开关内都封装有唯一的地址编码，因此安全性高，而且不受雷管限制，大电阻雷管、EBW雷管、EFI雷管都可以起爆，但是在生产开关时每一个开关必须单独处理，进行地址的封装，生产周期长，成本较高。

5 应用实例

中国石油集团测井有限公司装备与销售分公司在2014年分别应用无地址电子选发开关和固定地址电子选发开关在吐哈油田三塘湖各施工1口水平井桥塞射孔联作，同年在长庆油田使用浮动地址电子选发开关施工2口直井的分级点火。具体作业情况见表1。

表1 4口井施工概况

牛东平X井2014年5月19日～5月21日施工，井深2 146.0 m，垂深1 623.45 m，水平井段639.26 m。套管为5in(1 in=25.4 mm)Φ139.70 mm×121.36 mm，钢级P110。射孔共五层，第1层采用油管传输射孔，后4层采用复合桥塞-分簇射孔分段压裂技术，每层3簇射孔，共12簇；每层1个桥塞，共4个桥塞。见表2。

牛东平X井现场施工，每层共4级点火，即3簇射孔+1级桥塞。共进行16次点火(12簇射孔+4级桥塞)，分级点火成功率100%(16/16)。一次下井成功率100%(4/4)。

牛东平XX井2014年6月23日～6月25日施工，井深2 240.0 m，垂深1 640.53 m，水平井段733.83 m，套管为5inΦ139.70 mm×121.36 mm，钢级P110。射孔共6层，第一层采用油管传输，后五层采用复合桥塞-分簇射孔分段压裂技术，第二、六层4簇，第三、四层3簇，第五层2簇，共计16簇射孔；每层1个桥塞，共5个桥塞。见表3。

牛东平XX井现场施工，每层射孔级数不同，分别为4簇射孔+1级桥塞(第二、六段)；3簇射孔+1级桥塞(第三、四段)；2簇射孔+1级桥塞(第五段)。共进行20次点火(16簇射孔+4级桥塞)，分级点火成功率100%(20/20)。一次下井成功率100%(5/5)。

表2 牛东平X井射孔层位表

表3 牛东平XX井射孔层位表

双X井2014年10月6日施工，该井基本情况为人工井底3 042.20 m；套管内径121.36 mm；壁厚9.17 mm；钢级N80。

射孔层位：

3 016.0～3 020.0 m(厚度4 m)；

2 886.0～2 889.0 m(厚度3 m)；

2 837.0～2 841.0 m(厚度4 m)、2 827.0～2 829.0 m(厚度2m)；见表4。

表4 双X井射孔层位表

双XX井2014年10月7日施工，该井基本情况：人工井底2 838.0 m；套管内径121.36 mm；壁厚9.17 mm；钢级N80。

射孔层位：

2 776.0～2 780.0 m(厚度4 m)、2 676.0～2 678.0 m(厚度2 m)；

2 651.0～2 653.0 m(厚度2 m)、2 622.0～2 624.0 m(厚度2 m)、2 611.0～2 613.0 m(厚度2 m)；

2 605.0～2 607.0 m(厚度2 m)、2 480.0～2 483.0 m(厚度3 m)；见表5。

6 结 论

编码式多级点火分簇射孔技术可以实现多级枪串一次下井，多次射孔。三种电子选发开关各有特色，都具有很高的安全性及可靠性，与水力泵送桥塞技术相结合可以实现水平井的分段射孔，分段压裂，配合安全隔离系统，当某一级意外失效后，不会影响后一级射孔枪的点火，大大提高了施工效率。

表5 双XX井射孔层位表

[1] 陆大卫，油气井射孔技术[M].北京：石油工业出版社，2012：70-82.

[2] 贺红民．防射频可编址分级点火技术[J].测井技术，2014，28(3)：375-377.

[3] 孙志忠，康国珍，贺红民．射频安全分级点火技术[C].长庆事业部第十届科技进步大会论文集，2012：135-136.

[4] 张志强，固定地址编码式电缆分簇射孔技术的研发及应用[Z].中国胜利测井公司，2014：67-69.

Addressable Multistage Ignition Cluster Perforation Technology

LIU Teng， MU Guanghua， CHENG Suiniu， HE Hongmin， ZHAO Shuangqing， LIN Zekai， LIU Yang

(ChinaPetroleumLoggingCo.Ltd.，Xi′an，Shannxi710077)

Multistage ignition cluster perforation technology is a very important technical link of composite bridge plug-perforation technology. Multistage ignition cluster perforation technology mainly controls the composite bridge plug setting and perforating gun igniting. In order to achieve the electing perforation, addressable electronic switch is used to control ignition, which greatly improves the safety and success rate.

multistage ignition; electing perforation; addressable electronic switch

刘 腾，男，1990年生，助理工程师，2013年毕业于西南石油大学测控技术与仪器专业，现从事射孔新工艺研发及推广工作。E-mail：liutengac@163.com

P631.4+3

A

2096-0077(2016)06-0070-05

2016-01-11 编辑：韩德林)