防射频可编址分级点火技术

2014-05-10贺红民路利军慕光华孙志忠扈勇王兆东

测井技术 2014年3期

贺红民, 路利军, 慕光华, 孙志忠, 扈勇, 王兆东

(中国石油集团测井有限公司长庆事业部, 陕西西安 710201)

0 引言

分级点火技术是利用电缆将多根串接在一起的射孔器下放到射孔位置后,根据井下射孔层段要求,逐级分次进行点火。采用这种技术可以极大地减少作业小队的工作量,提高施工效率。分级射孔目前主要有2种方式:①采用液压转换装置,由下部射孔枪起爆后,利用井内液压推动液压开关,接通上部射孔枪,实现电缆分级射孔;②利用可编址电子开关技术,通过地面仪器控制可编址电子开关,有选择性地将电雷管与电缆导通,完成多级点火。本文主要介绍可编址电子开关与射频安全雷管的基本原理,通过两者结合实现油气田射孔安全分级起爆。

1 系统原理

图1 射孔枪串示意图

井下每级射孔枪内都安装有电子雷管和选发开关(见图1),点火前由地面计算机控制先对每个选发开关进行编址,点火时,地址被选上的选发开关将电缆与其连接的雷管导通,然后由点火面板控制点火。各级射孔枪通过安全隔离系统分割开,下部射孔器点火后不影响上部未点火的射孔器。也可对上部剩余的选址开关进行重新编址,每次点火时,地址的选择以选址开关最新的编址为准[1]。

2 防射频安全电子雷管

防射频安全电子雷管[2]主要由集成电路、电容、电熔丝、主装药和次级装药组成(见图2)。普通电雷管内部没有集成电路和电容,电熔丝可以通过输入几安培的电流直接点火。而射频安全电雷管是通过一个内置的电容对电熔丝进行点火,电容由几毫安级的小电源充电,充电和放电通过集成在雷管上的电子芯片控制。

图2 射频安全电雷管内部构造

工作过程:地面点火面板激发电雷管,电容充电到2 V电压可以满足雷管的电子线路工作,但不能激发电熔丝。只有在电容器将一个特殊的电压序列进一步传递给雷管,打开电子开关,才能使电容放电并依次激发电容丝。大约1～2 mA的电流可以使电容充电及电子雷管编程。

图3 电子雷管设计框图

集成电路设计包含3个主要部分:模拟电路、数字电路和点火模块(见图3)。模拟电路内电压门槛可以限制输入电压小于20 V,屏蔽了很多过高的外部电压。输入脉冲发生器内,信号耦合时每种极性的变化产生1个脉冲,通过数字电路进一步处理。点火模块内信号耦合能量储存到电容器内,通过1个整流器充电。在整流器和初级能量存储器之间有1个数字可调的电压调控器,可以给电容器充电直到最低的电子线路工作电压。数字电路内,耦合后的信号传递给输入脉冲发生器。脉冲从这个发生器传递给脉冲编码和开关Ⅰ和开关Ⅱ,最初这2个开关处于打开状态。如果脉冲发生器识别出正确的脉冲序列,它将驱动电压调控器并闭合开关Ⅰ。电压调控器使开关Ⅰ闭合后,电容器充电,电压大约在3 s内加载到雷管输入端,一旦电容器充电,脉冲通过开关Ⅰ到脉冲计数器。当记录完64个脉冲,脉冲计数器发出一个脉冲闭合开关Ⅱ。输入脉冲发生器的后续脉冲传递通过开关Ⅱ并闭合开关Ⅲ,开关Ⅲ被激发后点火头通过电容器点火。64个脉冲是为了增加系统安全性。电子雷管激活后在点火脉冲发出之前如断电,电容不会起爆点火头并能够通过电子线路在2 min内进行放电,再重新使用。电子雷管可区分干扰信号,在安全模式下直到干扰电源断开。

3 选址开关设计

选址开关安装在每级射孔枪内,能够依次对射孔枪串进行点火,不仅不会减少电雷管的安全特性,两者结合在一起,增加了多级点火系统的安全性。选址开关内包含有2个数字可寻址的单刀双掷开关,地址被选上后,将电缆连接到它下部的点火回路或其旁边的雷管上(见图4)。如果选址开关已经位置指定,它就保持新的状态。将电源从电缆上去掉并以后重新连接,开关地址将返回到没有连接的状态。选址开关通过专用的射孔面板激活。选择信号时序是为了不干扰雷管程序。采用了一个8个字节宽的信号编码。激发第5级电子雷管将发送如图5所示的脉冲,解码成功后雷管点火。

图4 选发开关结构图

图5 点火脉冲示意图

4 安全隔离系统

使用安全隔离系统的目的主要是隔离每级射孔枪。①其中某一级射孔器意外进水,不影响其他射孔器的正常使用(见图6);②每级电子雷管安装在该级射孔器的下部,如果这一级射孔器进水,采用液体拒传电子雷管可避免起爆射孔器,防止炸枪事故;③射孔枪串通过一根贯通线连接,上部射孔器起爆后或发生短路(断路)再不能起爆下部的射孔器,所以射孔时要从下向上顺次起爆;④由于某种原因不起爆下部射孔器而起爆上部射孔器时,下部的射孔器不会进水,不影响射孔弹再次使用。

图6 电子雷管与选发开关连接结构图

5 安全性能

(1) 对杂散电流和杂散电压,防射频安全电子雷管远比其他电雷管安全。电压低于15 V时电子雷管的阻值很高,因此不会消耗很多电流,所以在低电压的情况下没有风险。电子雷管可承受100 mA的电流5 s,180 mA的电流2 s,1 A的电流0.25 s。但长时间的大电流或高电压可能损坏其内部的芯片,电子雷管不会起爆。

(2) 对静电安全。低于0.2 mJ/Ω能量的脉冲不会损伤电子线路(人体放出25 kV的静电会产生大约0.05 mJ/Ω的点火脉冲)。

(3) 对闪电安全。闪电期间,如果爆炸物在地面就得停止操作,闪电的能量足以直接激发导爆索或射孔弹。但射孔枪在井内时,闪电的杂散电流不能激发电雷管。

(4) 对高频安全。在频率110 MHz、强度100 V/m的环境中电子雷管可完全操作。在150～200 V/m仅有个别的不能使用,但不会起爆。

(5) 对其他影响安全。叠氮化铅是电子雷管的主要炸药,包装在壳体内激发的冲击能量是70 J,激发HMX的冲击能量是10 J,装进导爆索冲击能量是20 J。

6 应用实例

中国石油集团测井有限公司长庆事业部2012年使用防射频可编址分级点火技术在5in*非法定计量单位,1 in=25.4 mm,下同套管的直井内成功作业了2口井次。作业情况见表1。2013年7月采用水力泵送桥塞射孔联作工艺在安平×井施工作业,该井射孔分为7段,射孔时分7次下井,每次下井的射孔枪串组合为4级或5级射孔枪+桥塞,分级点火一次成功率100%。作业情况见表2。