頁巖氣開采用分簇射孔與橋塞聯(lián)作技術研究

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（陜西應用物理化學研究所，陜西 西安，710061）

頁巖氣開采用分簇射孔與橋塞聯(lián)作技術研究

常昕，周曌

（陜西應用物理化學研究所，陜西 西安，710061）

為實現(xiàn)電纜分簇射孔起爆技術和電纜橋塞火藥座封技術的國產(chǎn)化，基于壓力導通式分簇射孔起爆技術的實現(xiàn)過程與原理，通過試驗檢驗了重要部件與整體的可行性，并通過井下試驗驗證了其起爆的可靠性；同時，進行了電纜橋塞火藥配方的設計與試驗，點火可靠性試驗表明采用新型火藥的電纜橋塞座封工具的燃燒壓力峰值可達90MPa，橋塞座封可靠，此外，對電纜橋塞座封工具的火藥裝藥量、溫度對火藥燃燒p——t曲線的影響進行了理論計算，得到了藥量與壓力的關系。模擬與實際井下試驗表明研究的分簇射孔和電纜橋塞火藥座封技術滿足頁巖氣開采需求。

起爆；頁巖儲層；射孔；電纜橋塞火藥

頁巖氣資源已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的熱點，它的成功開采源于理論與技術的突破性進展。在完井方式方面，Mayerhofer等人[1]提出了“油藏的體積改造”觀點，并通過對Barnett頁巖某累積產(chǎn)量的對比分析，驗證了改造體積越大、增產(chǎn)效果越好的結論[2-3]。這一理念帶動了新技術的研究和應用。

分簇射孔與電纜橋塞聯(lián)作工藝是體積改造工藝的一個重要分支，其中的分簇射孔起爆技術和電纜橋塞座封技術是該工藝的關鍵技術。分簇射孔起爆技術能夠一次輸送多支射孔器下井，對不同深度的射孔層位進行分級多次起爆射孔，極大地提高了射孔效率，降低了勞動強度，并可顯著提高施工的安全性。電纜橋塞火藥是電纜橋塞座封工具的動力源，橋塞座封工具利用火藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體來推動橋塞，使其座封于套管內(nèi)壁。相比常規(guī)井內(nèi)套管，頁巖氣井內(nèi)套管尺寸更小，致使火藥的穩(wěn)定燃燒更難；井內(nèi)壓力更高，因而要求火藥的做功能力更大。筆者對分簇射孔起爆技術和電纜橋塞座封技術進行研究，通過性能試驗及井下試驗驗證了兩項技術能夠滿足井下實際要求。

1　分簇射孔起爆技術與性能試驗

1.1分簇射孔起爆技術

現(xiàn)在，主流的控制分簇射孔起爆技術有兩種:編碼控制式分簇起爆技術、壓力導通式分簇射孔起爆技術。編碼控制式分簇起爆技術的特點是可以進行選擇性射孔，而壓力導通式分簇射孔起爆技術以其作用可靠、耐溫超過160℃、價格低廉的特點被廣泛使用。

壓力導通式分簇射孔起爆裝置利用井內(nèi)液壓或者射孔彈爆轟后產(chǎn)生的壓力作用，實現(xiàn)射孔槍間壓力開關的接通與斷開功能。在射孔槍起爆前，該裝置實現(xiàn)由上向下接通起爆電路，地面發(fā)送第1次起爆信號，起爆第1級射孔槍；第1級射孔槍起爆以后，壓力進入起爆后的射孔槍體內(nèi)，壓力作用于分級射孔液壓轉換裝置的輸入端，推動壓力開關斷開下級槍，利用壓力轉換裝置的內(nèi)部機械機構，接通第2級射孔槍的起爆電路，實現(xiàn)分級射孔的目的；依此類推，逐級地斷開下級射孔槍，接通上級射孔槍，完成逐次點火起爆射孔槍的目的，如圖1所示。

圖1　分簇射孔起爆裝置連槍示意圖Fig.1　Schematic of the cluster perforating initiation device in perforating system

1.2各主要零部件

分簇射孔技術主要依靠機械動作和電子器件來完成控制每一級射孔槍和電纜橋塞座封工具的起爆、點火過程。連接在每級射孔槍之間的壓力導通式分簇射孔起爆裝置主要包含以下幾個零部件：壓力導通開關、直插式插針、二極管、導線、本體，其連接原理如圖2所示。壓力導通開關在系統(tǒng)中起到在下一級射孔槍作用后，斷開連接下一級射孔槍，將上一級射孔槍相連接，形成上一級射孔槍的閉合回路。二極管具有正向導通、反向不導通的作用，在每簇射孔槍起爆端處設置正負極不同的二極管結合，起爆時采用正負電的方式可以防止誤起爆的發(fā)生。

圖2　壓力導通式分簇射孔起爆裝置原理圖Fig.2　Schematic of the cluster perforating initiation device by pressure

1.3性能檢驗

頁巖氣開采或者對于超深井的開采多在4 000m以上，要求器材耐溫需要達到160℃/48h以上。組成分簇射孔起爆裝置的部件中，壓力推動開關內(nèi)部為膠體填充，受熱會膨脹；二極管則對溫度較為敏感，所以選擇時需要對其耐溫性能進行檢驗?，F(xiàn)用電熱干燥箱對其進行耐溫160℃/48h試驗，并用萬用表測試其導通狀況，結果如表1所示。

表1　耐溫導通試驗結果Tab.1　Testing of conducting under high temperature

一般在一級射孔槍未起爆的情況下，壓力導通開關處于不導通狀態(tài)；當該級射孔槍起爆后壓力進入或管串泄漏時，該級上端的壓力開關導通。表2為壓力開關性能的試驗結果，利用加壓油泵在輸入端輸入1.0MPa壓力時，輸出端沒有接通回路；當大于3.2MPa時，壓力開關順利導通，驗證了開關導通性能良好。

表2　壓力導通開關性能檢測試驗結果Tab.2　Character testing of conducting

1.4連槍試驗

試驗采用3簇射孔槍與分簇射孔起爆裝置進行連接，射孔槍內(nèi)用導爆索代替射孔彈，采用分級射孔檢測儀進行起爆和檢測。試驗前對線路的通斷狀態(tài)進行檢驗，達到標準后開始進行起爆和檢測。當?shù)?簇射孔槍起爆后，分級射孔起爆儀顯示第1簇處于斷路狀態(tài)，第2簇射孔槍處于通路狀態(tài)，可以進行第2簇的起爆，依次進行了第2簇與第3簇的起爆。試驗結束后，將彈架取出，可見導爆索爆炸完全，如圖3所示。

圖3　導爆索被可靠起爆F(xiàn)ig.3　Initiation of detonating cord

該技術在原理上可以實現(xiàn)，通過各主要部件性能試驗與整體試驗的驗證為井下試驗完成了前期工作。

2　 電纜橋塞火藥做功技術

電纜橋塞座封過程是個緩慢的過程，因此電纜橋塞火藥是一種慢燃速的復合火藥。選擇了以NaNO3、環(huán)氧樹脂、固化劑為基礎配方進行燃燒試驗，通過圖4 所示裝置進行燃燒壓力測試試驗。

圖4　火藥壓力測試裝置Fig.4　Pressure testing device for propellant

2.1火藥配方試驗

首先對所選藥劑進行了零氧平衡計算，并考慮固化劑的質量為環(huán)氧樹脂質量分數(shù)的30%左右時，電纜橋塞復合火藥的固化效果最好，可算得wNaNO3≈86%，w環(huán)氧樹脂≈11%，w固化劑≈3%。普通火藥為負氧火藥，火藥中氧化劑與可燃物之間發(fā)生氧化反應的氧平衡系數(shù)一般在0.5～0.7左右[4]。得到表3配方。

表 3　初步試驗配方Tab.3　Original formulations for test

按表3中每個配方制備3發(fā)火藥筒，放在密閉試驗工裝內(nèi)做燃燒試驗。結果配方1和配方2的藥筒均發(fā)生斷火現(xiàn)象，如圖5所示；配方3的藥筒燃燒不充分，火藥殘余量較大，也存在斷火的現(xiàn)象；配方4的火藥可以穩(wěn)定燃燒，沒有斷火現(xiàn)象產(chǎn)生，燃燒殘渣較少。

在初步獲得了火藥配方組成后，將表3中的配方4調(diào)整成3個配方，見表4。按照3個配方各裝藥450g，做密閉容器內(nèi)的燃燒壓力測試，3組配方均完全燃燒，測試的平均結果如圖6所示。

表4　試驗配方Tab.4　Test formulations

圖 5　火藥燃燒不完全Fig.5　Breakdown of propellant combustion

圖6　不同火藥配方燃燒后的平均峰值壓力Fig.6　Average peak pressure of different formulations

由以上試驗可以看出，表4中配方1的氧化劑含量較高，火藥燃燒更加充分，峰值壓力最高，說明該配方是最優(yōu)的配方組成。

2.2試驗數(shù)據(jù)的修正

火藥燃燒性能試驗主要是在地面進行的模擬試驗，由于環(huán)境溫度低，致使測得的壓力偏低于井下座封產(chǎn)生的實際壓力。密閉爆發(fā)器測試是一個假定的定容絕熱過程，而實際過程存在對器壁加熱的熱能消耗。應三九[5]對于密閉爆發(fā)器試驗中火藥的燃燒壓力曲線提出了修正方法，根據(jù)該方法對測得的壓力曲線進行處理。首先，對膨脹功進行忽略，根據(jù)壓力下降的過程使用最小二乘法擬合一條直線，見圖7，擬合的直線為：y=-0.43x+90.6，獲得其斜率∏=0.43。

帶入?yún)?shù)，通過式（1）[5]進行計算，結果如圖8所示。

式（1）中：∏為壓力下降段曲線最小二乘擬合直線的斜率；Pψ為爆發(fā)器內(nèi)測得的火藥燃燒的壓力；P0ψ為修正后的火藥燃燒壓力；α為火藥的余容；△為火藥的填裝密度；ρP為火藥密度；ψ為燃燒百分數(shù)；tb為點火燃燒結束時間；tψ為從可靠點火后的燃燒時間。

從上述結果中可以發(fā)現(xiàn)散熱對地面實驗結果影響較大，致使壓力損失較大。實際實驗中電纜橋塞火藥在剛開始燃燒階段容易斷火，這可能是燃燒初始階段壓力損失致使火藥維持燃燒的溫度與壓力不足；當爆發(fā)器做完一組試驗后再進行時，往往測得的壓力比上一組高，這可能是由于環(huán)境溫度上升減少了壓力損失。

圖7　壓力下降過程的擬合直線Fig.7　Fitting straight line of the descending process of pressure

圖8　修正后爆發(fā)器中火藥燃燒壓力Fig.8　Amended pressure curve in closed bomb

2.3點火可靠性

新型電纜橋塞座封工具是為頁巖氣開采的特殊工藝或井況所服務的，不同井場采用的點火方式可能有所不同。故對油田可能所采用的點火方式與橋塞火藥引燃的兼容性進行試驗，結果見表5。從表5數(shù)據(jù)可以看出，電纜橋塞火藥可以由常規(guī)的點火方式可靠引燃，并能穩(wěn)定燃燒。

表5　點火可靠性試驗Tab.5　Reliability testing of igniting

2.4藥量的選擇

由于井深、井溫等井況的不同，電纜橋塞所配備的卡瓦、拉斷環(huán)均有差異，橋塞工具多以系列化供射孔施工設計部門選擇，其搭配的電纜橋塞火藥的做功能力也需以系列化予以搭配。因此，研究火藥做功能力與藥量的關系是一項很重要的工作。在先期的工作中，累計了大量火藥藥量與密閉容器內(nèi)測得壓強的關系數(shù)據(jù)，如圖9所示。采用origin擬合工具對數(shù)據(jù)進行公式擬合，結果見表6。經(jīng)過比較，采用指數(shù)型擬合公式擬合效果最優(yōu)，可以滿足使用要求，其95%置信度下的置信區(qū)間可以為實際藥量選擇提供可靠依據(jù)，如圖10所示。

表6　藥量與壓力擬合關系Tab.6　Fitting curve of relationship between pressure and mass

圖9　藥量與密閉容器內(nèi)測得壓強的關系Fig.9　Relationship between pressure and mass of propellant

圖10　指數(shù)函數(shù)擬合曲線Fig.10　Exponential fitting curve

3　模擬井下試驗與井下試驗

采用分簇射孔起爆工藝在國內(nèi)某油田進行了5口井的下井試驗，每口井的具體井況和設計的起爆次數(shù)如表7所示。

表7　電纜分簇射孔工藝上井試驗參數(shù)Tab.7　Test parameters in oil field with cluster perforating method

試驗均使用89射孔槍，配套使用DP41RDX-1型射孔彈，為最常用射孔器材。試驗過程中待射孔的射孔槍由2簇起爆到5簇起爆不等，分別對應不同的射孔層段。試驗過程中連槍過程順利、簡便，逐漸增加射孔層段，均可靠起爆，證明其原理上可行；而且，增加射孔槍內(nèi)載彈量并未對分簇起爆系統(tǒng)造成結構性的損壞。

火藥的座封能力主要表現(xiàn)在推動橋塞卡瓦座封于套管內(nèi)壁，然后剪斷拉斷環(huán)使座封工具與電纜橋塞相分離。圖11是橋塞座封工具與橋塞連接以后的實際圖片，座封工具上開孔接壓力傳感器測得的壓力曲線如圖12所示。

圖11　橋塞座封工具實物圖Fig.11　Picture of the electric plug tools

圖12　模擬井下試驗的P——t曲線Fig.12　P——t curve of simulated underground test

從圖12P——t曲線可以看出，電纜橋塞火藥燃燒過程緩慢，保證了電纜橋塞座封過程的可靠性與安全性。最終橋塞可靠座封于套管內(nèi)，并和橋塞座封工具脫離，壓力突降處可以輔助證明。

4　結論

針對分簇射孔與橋塞連作工藝的需要，從原理上說明了壓力導通式分簇射孔起爆裝置的可行性，并對各主要部件進行了選擇與檢驗。對分簇射孔起爆裝置的模擬井下試驗證明了依靠壓力導通方式進行選擇性射孔是可行的。研制出的電纜橋塞火藥能夠滿足頁巖氣用新型電纜橋塞座封工具的使用要求，具有燃速緩慢、座封壓力大于90MPa的特點，點火可靠，適用于油田常規(guī)的點火方式。針對實際井況對藥量的需求進行了計算，計算效果可以滿足工程使用。通過理論計算方式，得到電纜橋塞火藥在高溫下座封能力曲線，彌補了試驗條件無法滿足評價井下真實情況的不足。

通過5口井以及多射孔層段的實際井下試驗，驗證了壓力導通式分簇射孔起爆技術的可靠性；模擬井下的電纜橋塞火藥燃燒座封試驗以及壓力測試，都證明了電纜橋塞火藥的座封能力。以上的研究證明了兩項技術可以滿足井下實際應用，可以實現(xiàn)頁巖氣開采完井過程中分簇射孔起爆技術與電纜橋塞火藥座封技術的國產(chǎn)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,張煒,張桂平,等.非常規(guī)能源開發(fā)利用現(xiàn)狀及趨勢[J].中國礦業(yè),2013,22(2):5-8.

[3] 胡文瑞.開發(fā)非常規(guī)天然氣是利用低碳資源的現(xiàn)實最佳選擇[J].天然氣工業(yè), 2010,30(9):1-8.

[4] 李鳳生,郭效德,劉冠鵬.新型火藥設計與制造[M].北京：高等教育出版社,2007.

[5] 應三九,肖正剛, 徐復銘. 密閉爆發(fā)器實驗中發(fā)射藥燃燒全過程壓力曲線的修正方法[J].火炸藥學報,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，在讀碩士研究生，從事石油民爆技術研究。