触点式分簇射孔器研制及在川南页岩气井应用

2021-11-25陆应辉李奔驰古志斌刘家屹冯南翔

石油矿场机械 2021年6期

曾波，刘望，陆应辉，李奔驰，刘虎,4，古志斌,5，刘家屹，冯南翔

(1.中国石油集团西南油气田分公司页岩气研究院,成都 610051；2.四川长宁天然气开发有限责任公司，成都 610051；3.中国石油集团测井有限公司西南分公司，重庆400021;4.四川华顺通能源技术开发有限公司，成都 610051;5四川宝石花鑫盛油气运营服务有限公司，成都 610051；6.中国石油集团西南油气田分公司蜀南气矿, 四川泸州 646000)

随着非常规油气勘探开发的加快，水平井压裂的工作量逐年增加。在川南页岩气、长庆致密油、新疆玛湖致密油等重点上产区，中国石油集团公司的预计年水平井压裂工作量将达到2 000口、40 000段以上[1-5]。桥塞射孔联作(以下简称桥射联作)作为水平井压裂改造的重要环节，其作业时效、作业能力与作业效果对非常规油气规模效益开发和快速上产至关重要。但是，分簇射孔器地面装配作为桥射联作的关键环节，严重影响桥射联作的作业时效和施工质量。

目前，“段内多簇+高强度加砂+大排量”储层改造工艺已在川南页岩气规模化应用，桥射联作1次下井射孔已由原来的3～4簇增加至7～14簇，原有贯通导线式的分簇射孔器面临连接导线多、装配耗时长、易出错、管串长的挑战[6-10]。因此，迫切需要研制装配效率高、点火可靠性好、管串结构紧凑的新型分簇射孔器。

本文从电雷管、选发信号电路、机械结构3个方面开展设计研究，成功研制出无导线触点式分簇射孔器，解决了射孔器与射孔器之间、电雷管与通讯导线之间繁琐的连接导线问题，并成功在川南页岩气水平井中推广应用。

1 总体设计方案

原有贯通导线式分簇射孔器装配时人体直接接触电雷管，而且装配过程中存在连接导线多、部件杂、易出错，以及选发接头多、射孔管串长的问题，亟需研制操作安全、装配方便、结构紧凑、点火可靠的触点式分簇射孔器。其最大特点是内部没有贯通导线，现场装配时仅需在分簇射孔器一端插入电雷管后依次连接所有分簇射孔器便能下井施工，避免了装配过程中的导线连接。分簇射孔器之间仅需1个选发接头，极大地缩短了分簇射孔器之间的连接长度及整个射孔管柱的长度，使得1次下井能够完成15簇以上射孔，提升了桥射联作作业能力。

1) 无导线触点式设计。

采用集成式模块化设计及无导线触点式设计，解决原有分簇射孔器部件杂、接线多、管串长的技术难题。

2) 本质安全设计。

将电雷管、电子选发器与通讯隔水塞进行集成设计，从源头上消除因现场错误连接导线或通讯导线装配受损导致点火失败的可能，以及避免人体静电等杂质电流直接作用在电雷管上引发的误起爆。

3) 抗震结构设计。

电雷管采取悬挂式抗震结构设计及一体式封装设计，射孔器簇间通讯采用弹性触点联通，使得射孔器具备承受多簇射孔高频冲击震动的能力。

2 射孔器设计

2.1 集成式触点选发雷管设计

原有分簇射孔器的电雷管有2根脚线，为实现寻址选发起爆还需要配备专用电子选发器。现场作业时需要将电雷管(如图1)与电子选发器(如图2)连接，才能实现多级寻址选发点火。电子选发器有5根导线，其中2根导线与电雷管的2根脚线连接，剩余3根中的2根串联入分簇射孔器贯通导线，另外1根则作为接地线[11-14]。为了避免已点火起爆分簇射孔器对相邻未起爆分簇射孔器的影响，还需在二者之间连接通讯隔水塞(如图3)。

图1 脚线电雷管

图2 带导线电子选发器

图3 通讯隔水塞

为实现分簇射孔器无导线装配，就要解决电雷管与电子选发器的无导线设计问题。首先重新优化设计了电雷管、电子选发器及通讯隔水塞外形结构，将3者集成设计为1个模块。在此基础上继续对其外部结构进行触点式设计，以实现接收、传递选发点火信号以及接地功能，从而形成集成式触点选发雷管(以下简称触点雷管，如图4所示)。触点雷管采用弹簧作为信号输入端，采用触针作为信号输出端，而连接螺纹则作为接地部位。采用绝缘材料对触点雷管信号输入、信号输出与接地部分隔离分区，保证各信号电路之间互不干扰。设计的触点雷管无连接导线，且具备寻址选发及通讯承压功能，避免了人体直接接触电雷管带来的安全风险。此外，为了提升触点雷管抗震能力，内部电子元件还特别采用了“悬挂式”封装设计。现场使用时，仅需将此触点雷管装配在每支分簇射孔器的下端，即可自动实现触点雷管与分簇射孔器选发信号电路的串接导通，同时保证可靠接地。

图4 集成式触点选发雷管

2.2 无导线选发信号电路设计

原有分簇射孔器内部采用贯通导线来传导选发信号，将选发信号从电缆依次传导进每一支分簇射孔器，现场装配每一支分簇射孔器时，首先需要将贯通导线缠绕包扎在弹架上，再与电雷管、电子选发器及通讯隔水塞对应连接；当连接相邻2支分簇射孔器时，必须先将上一支分簇射孔器的选发信号输出导线与接地导线，以及下一支分簇射孔器的选发信号输入导线从二者中间的旁开孔选发接头引出，并包扎、连接。该过程耗费时间长、操作技能要求高。因此，从2个方面对分簇射孔器选发信号电路进行重新设计优化，实现分簇射孔器内与分簇射孔器间无导线。

1) 分簇射孔器内选发信号电路。

考虑到原有分簇射孔器弹架采用的金属焊管具有良好导电性，因此直接采用弹架作为选发信号传导体，取代分簇射孔器内部的贯通导线。为了确保弹架导电性能，对原料焊管进行了除锈处理。此外，为了消除选发信号(以及通过的点火电流)对弹架上射孔弹的影响，还设计了射孔弹绝缘套，将射孔弹与弹架绝缘，如图5所示。

图5 导电弹架及绝缘射孔套

2) 分簇射孔器间选发信号电路。

在触点雷管的基础上，仅需在弹架两端分别设计与该触点雷管实现选发信号联通的触点结构即可。为此在原有弹架两端金属定位环和支撑环结构基础上，设计了位于弹架定位环的弹性触点导电结构(如图6)以及位于弹架支撑环的硬性接触导电结构，分别与触点雷管的信号输出触针、信号输入弹簧无导线联通。此外，还在弹架定位环与支撑环上设计了绝缘结构，确保定位环、支撑环与枪管的良好绝缘。

图6 射孔器间触点导电结构

2.3 紧凑型选发接头设计

通过上述设计，实现了分簇射孔器内部与分簇射孔器之间的无导线装配。原有分簇射孔器中间长度较长，需要连接导线的旁开孔选发接头就需要重新设计。重新设计的紧凑型选发接头需要满足触点雷管的安装空间，以及与上下两支分簇射孔器的触点联通。尤其需要确保触点雷管的发火端与传爆管距离控制在殉爆距离内，且不能太近以免在装配时相互挤压致使误起爆。

2.4 射孔器整体结构设计

所研制的触点式分簇射孔器由分簇射孔器和选发接头2部分组成，其中分簇射孔器又由射孔枪管、弹架弹性定位环、弹架、射孔弹绝缘套、射孔弹、导爆索、弹架硬性支撑环、传爆管组成。选发接头由触点雷管和双公接头组成，其中触点雷管主要包括信号输入弹簧和信号输出触针，如图7所示。

1-射孔枪管；2-弹架弹性定位环；3-弹架；4-射孔弹绝缘套；5-射孔弹；6-导爆索；7-弹架硬性支撑环；8-传爆管；9-信号输入弹簧；10-触点雷管；11-双公接头；12-信号输出触针。

触点式分簇射孔器工作原理[15-16]为：当分簇射孔器管串输送到井下预定位置后，最上端分簇射孔器弹架弹性定位环将接收到由地面点火系统下发的选发信号，该信号继续通过弹架、弹架硬性支撑环传递到触点雷管信号输入弹簧。随后触点雷管对接收到的选发信号进行判断，如能与其选发地址匹配，则可直接点火起爆该雷管并依次引爆传爆管、导爆索、射孔弹，完成该簇分簇射孔器的射孔作业；如果无法与其选发地址匹配，则将接收到的选发信号通过信号输出触针继续向下传递至相邻分簇射孔器，直到找到与该选发信号地址匹配的触点雷管。按此原理，完成所有分簇射孔器的点火起爆。

3 室内试验及现场应用

3.1 室内试验

为了评估触点雷管的安全性、抗震性、可靠性，结合触点雷管现场使用条件及环境，设计了静电感度试验、抗交流/直流试验、抗震/跌落试验、发火试验[17-20]。试验情况如表1，试验表明触点雷管安全可靠。

表1 触点雷管室内试验情况

为了验证触点式分簇射孔器耐温耐压指标，以及通讯稳定性、点火可靠性，设计了高温高压试验及试验井多级点火试验。首先将4支装配触点雷管的分簇射孔器连成1组(内部未装配射孔弹、导爆索及传爆管)，其上端采用装配模拟触点雷管(无雷管)的选发接头封堵(如图8所示)，总计组装4组进行高温高压试验。高温高压试验曲线如图9，在140 MPa、150 ℃工况下保温保压4 h，4组试验管串外观均无变形、内部均无渗透。

图8 触点式分簇射孔器高温高压试验管串

图9 触点式分簇射孔器高温高压曲线

随后将射孔弹、导爆索及传爆管与16支高温高压试验后的分簇射孔器装配一起(每支装配射孔弹5发/药量105 g)，通过电缆传输至试验井设计井深后，从下至上依次选发点火第1支至第16支触点式分簇射孔器，点火成功率100%，射孔发射率100%。

室内高温高压及多级点火试验表明，触点式分簇射孔器满足140 MPa、150 ℃的设计要求，具备双向承压能力，整体设计结构稳定可靠，能满足现场多簇射孔需求。

3.2 现场应用

触点式分簇射孔器已在长宁、威远、昭通、太阳-大寨页岩气区块水平井成功应用40口井1 900余簇。现场装配11支触点式分簇射孔器仅耗时45 min，较原有常规贯通导线式分簇射孔器节省时间67.86%；连接长度缩短为7.78 m(如表2)，较原来一次下井簇数提升45.45%。减少现场装配人员2人，并且完全消除了因为导线连接引起的人为装配错误。为川南页岩气段内多簇(≥6簇/段)压裂改造提供了可靠的技术支撑。