油气井下冲击片雷管起爆技术研究

李婷婷，裴东兴，崔春生

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051）



油气井下冲击片雷管起爆技术研究

李婷婷1，2，裴东兴1，2，崔春生1，2

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051）

摘要：针对目前国内油气井下电雷管含敏感药而导致的诸多安全隐患，通过分析冲击片雷管的结构、起爆机理以及实际应用环境，开展专用于油气井下的冲击片雷管起爆技术研究。根据冲击片雷管的起爆要求，对可提供5000 V直流电的脉冲功率源进行原理分析及结构设计；建立冲击片雷管起爆回路的数学模型，分析影响雷管起爆的两个重要元器件储能电容和开关管的相关参数及特性并对器件的选择提出建议。测试实验表明：该起爆系统能适应油气井下的高温环境，并能达到冲击片雷管的起爆要求，可为今后国内冲击片雷管在民用领域的推广提供技术参考。

关键词：冲击片雷管；油气井；脉冲功率源；建模分析

0　引言

随着油气井射孔技术的提高，以及射孔环境的逐渐复杂化，油气井射孔安全面临着新的挑战。目前我国油气井射孔常用含敏感药的电雷管，其能量转换元件与炸药直接接触导致在运输、安装以及井下的杂散电流、电磁辐射等作用下容易引起误起爆[1-2]。油气井的产层深度一般都在几千米，井筒内射孔目的层的温度和压力非常高，在这种条件下使用敏感炸药的风险性进一步提高[3],安全起爆装置在射孔作业场所显得尤为重要，将军品中普遍应用的冲击片雷管（EFI）替代油气井电雷管将极大提高射孔安全。EFI最早是在1965年由美国劳伦斯利弗莫尔实验室（LLNL）的J.R.Stroud[4]提出，其设计理念突破了传统雷管中敏感起爆药剂及松装猛炸药限制，因此本质安全，抗射频、静电、杂散电流及电磁干扰能力强，且作用迅速可靠，是目前最有应用前景的雷管。

为了提高射孔的安全性，国外已将EFI雷管(无起爆药)应用于石油射孔中，取得了良好的效果，而国内EFI技术仅应用于军事领域，在射孔完井中的应用尚处于起步阶段[5]。因此，开展专用于油气井下的冲击片雷管起爆技术研究对提高国内油气井射孔安全有重要意义。

1　结构及起爆机理

图1为冲击片雷管的结构图，包括药柱、加速膛、飞片、爆炸箔、基片和电接插。冲击片雷管只有在特定的高能电脉冲（电流2～4kA，电压3～5kV，功率4～10 MW）[6]作用下才能起爆。在雷管的电接插上施加一个高电压，瞬间上千安的大电流脉冲作用于爆炸箔，爆炸箔汽化产生的等离子体迅速膨胀，在雷管内产生极高的压力。该压力作用剪切下的飞片经过加速膛加速后撞击到药柱上，此时飞片速度达到几千米每秒，在炸药端面激起压力为p，持续时间为的冲击波，当pn超过炸药的起爆临界值时激起炸药炮轰[7]。

图1　冲击片雷管结构图

2　冲击片雷管起爆系统设计

应用于油气井下的冲击片雷管起爆系统包括地面部分和井下部分，地面和井下之间以单芯电缆相连。该系统的结构如图2所示。

图2　冲击片雷管起爆系统图

该项目中，地面电源使用的是0～220V可调直流电源，地面仪器使用单芯电缆作为井下设备供电及控制命令发送的通道，井下部分由高压脉冲源和起爆模块两大部分组成，地面电源向井下输送180～220 V的直流电压，高压脉冲源将其升压后给脉冲电容器充电，充电至高压开关的阈值电压5000 V后，电路导通，瞬间对爆炸箔放电，完成冲击片雷管的起爆。

2.1脉冲功率源设计

图3　脉冲功率源模块电路图

控制模块设计的主体是脉冲功率源，由脉冲产生模块和升压模块两部分组成，脉冲功率源将单芯电缆输入的直流低电压逆变升压到5 000 V给起爆回路电容充电。如图3所示脉冲功率源采用可驱动MOSFET的PWM控制芯片，结合反击式拓扑结构，将低电压转换成上千赫兹的交流电压，经高频变压器升压、硅堆整流后给起爆回路的高压储能电容充电。脉冲功率源采用脉宽调制的方式，高压变换部分由高频变压器、高频开关管、倍压整流电路，通过调节升压系统的脉宽以及变压器线圈的圈数来达到升压的目的。在变压器的设计中主要考虑磁芯大小、气隙大小、原边电感、原边线圈匝数的选择，以及在磁芯内的直流成分和交流成分的影响[8]。

脉冲发生装置的主芯片使用PWM控制的UC384x系列芯片，该芯片较高的温度稳定性和较低的噪声等级使其极好地适应油气井下的复杂环境。

图4为脉冲发生装置的电路原理图，MOSFET功率开关管的源极接电流取样电阻R9，变压器原边电感电流流经R9产生的电压经滤波后送入UC384x系列的3脚，构成电流控制闭环。当3脚电压超过1V时，PWM锁存器将封锁脉冲，启动电路的过流保护功能；UC384x系列的8脚与4脚间电阻Rt及4脚的接地电容Ct决定芯片内部的震荡频率；变压器原边并联R6、C6、D3构成缓冲电路，用于限制高频变压器漏感造成的尖峰电压，防止MOSFET功率管在关断过程中承受大的反向电压。

图4　UC384x外围电路原理图

2.2起爆回路模型分析

起爆模块的工作过程主要包括两个阶段，能量存储和能量瞬间释放。首先将低压低能量密度的电能储存至高压电容，当储能电容器的电压达到高压触发开关的预定值时就触发高压开关，将储能电容中的电能量瞬间释放，形成高压大电流的发火脉冲作用在冲击片雷管上，进而起爆冲击片雷管[9]。

该起爆阶段的核心工作过程就是储能电容的充放电过程，该系统中用的电容器在能完成储能与瞬间放电的同时还要适应油气井下的恶劣环境，所以应选用容量大、高储能密度、低电感、寿命长、重复率高耐高温的电容[10]，图5为该起爆回路的工作模型。

图5　起爆回路模型图

如图所示U1为储能电容的恒定充电电压，i1为储能电容充电回路的电流，R1为充电回路的总电阻。GDT为高压触发开关，L2为放电回路的电感，i2为放电回路电流，R2为放电回路片的总电阻，R3为冲击雷管爆炸箔的动态电阻。当直流高压输入为恒定值时，储能电容充电回路的数学方程式为

两边微分后得

由初始条件U1（0）=0，i1（0）=0，可以求出电流和电压的值，即

从上式中可以看出，充电过程中，储能电容的电压是随时间逐渐增大的，而充电的快慢是与时间常数R1C相关。高压发火电容充电至高压开关的阈值电压U2的时间为

同理可得，储能电容放电回路的数学方程式为

解方程可得储能电容放电回路的电流为

2.3关键元器件特性分析及选择

起爆回路中对能量的存储和瞬间释放起关键作用的器件是高压储能电容器以及高压开关，在器件的选择上主要考虑的问题包括：1）输出脉冲是否满足冲击片起爆的要求；2）元器件能否在环境复杂的油气井下正常工作。

目前国内在役的油井深度多数在500～4 000 m之间，平均深度为1 500 m，井下静态温度随深度增加而升高，温度梯度约为1℃/100 m[11]，高温对油气井下起爆系统使用的元器件提出了更高的要求，所以在关键元器件的选择上应充分考虑其温度特性。

1）高压脉冲电容器

高压脉冲电容器作为冲击片雷管起爆的能量源，是冲击片雷管可靠起爆的关键因素。冲击片雷管工作时，内部的金属箔要在高压脉冲电容器放电产生的大电流作用下，产生电爆炸。在此过程中，爆炸箔需要在短时间内获得足以使其产生等离子体的能量，这就要求高压脉冲电容器输出的脉冲大电流在幅度和时间特性上满足爆炸箔汽化爆炸的要求。

表1为4种材料的高压脉冲电容器在2.0kV电压下对同一大功率负载进行放电所计算的系统参数[12]。Im（m=1，2，3）为电容放电波形的3个波峰值，短路负载的固有电阻为54mΩ，固有电感为400nH。虽然云母电容器和陶瓷电容器在2.0kV下的放电电流都较大，但是陶瓷电容器较短的振荡周期、低电感和低电阻决定了陶瓷电容器输出能量密度集中度高，有利于冲击片雷管的起爆。

另外，当环境温度上升后，电容量温度变化率的下降会导致电容值随着温度升高而减小，而采用特殊介质的陶瓷电容器的电容值能够在温度接近200℃时只减少50%甚至更少，图6为陶瓷电容器的容值变化曲线。

作为冲击片雷管发火的储能元件高压脉冲电容器，陶瓷电容器的性能参数最优，且体积较小便于集成化。

2）高压开关管

高压开关的闭合特性对冲击片雷管起爆电流有很大的影响，为了保证冲击片雷管正常起爆，所用的高压开关应具有低电阻、短时延的阻性闭合特性和低感值、长时延的感性闭合特性。

表1　电容器放电性能参数对照表

图6　高温陶瓷电容容值变化曲线

工作在起爆回路中的高压开关管要以足够快的速度动作并且具有足够低的等效电阻才能满足金属箔的快速爆炸汽化[13]，降低回路损失。也就是说，它必须具有比线路其他部分更低的电容以及一个能从极高值（即开关断开）变化到更低值（即闭合后）的电阻，该电阻阻值变化的时间还必须比电流上升到桥箔爆发临界值的时间快得多[14]。与其他类型的放电管设备相比，陶瓷气体放电管两极间电容更低，对于冲击电流的耐受性能更好，且具有高阻抗的特性，这都是普通放电管所不具备的性能，可见陶瓷气体放电管是一种极好的选择。

图7所示为该系列放电管图片，其绝缘电阻为10 GΩ，静态电容量＜1.5 pF，绝缘性好，直流击穿电压可选择1000～7500V范围。流通能量大，抗冲击能量强。

图7　气体放电管及其参数图

3　实验数据分析

利用罗果夫斯基线圈[15]对该冲击片雷管起爆系统进行测量，测量时用铜箔代替冲击片雷管的爆炸箔，并将其置于130℃高温环境中进行实验，图8为得到的波形图。

可以看出，所得的电流曲线为逐渐衰减的正弦波，且第一波峰值达到了3kA，与模型分析的结果相一致，波形符合美军标MIL-DTL-23659D，即起爆回路中储能电容放电时电流至少包含5个幅度递减的震荡波形[16]，满足冲击片雷管的起爆要求。

图8　起爆回路放电波形图

4　结束语

本文在冲击片雷管在油气井射孔方面的安全优势以及目前国内电雷管在油气井领域的限制因素的基础上，开展专用于油气井下的冲击片雷管起爆技术研究。得到以下结论：

1）冲击片雷管不含敏感药，只能在特定的高能电脉冲作用下才能起爆，极大提高了油气井射孔的安全性。

2）通过研究冲击片雷管的结构及起爆机理，并对起爆回路进行建模分析，设计了适应于油气井下的脉冲功率源，得出起爆系统关键元器件特性：具有低电阻、低电感、耐高压以及耐高温特性的陶瓷电容；具有低电阻、短时延的阻性闭合特性和低感值、长时延的感性闭合特性的气体放电管。

3）实验证明，该起爆系统能满足冲击片雷管的起爆条件（电流2～4kA，电压3～5kV，功率4～10MW），并适应油气井下的高温环境。

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（编辑：李刚）

Research on exploding foil initiator detonating system in oil and gas well

LI Tingting1，2，PEI Dongxing1，2，CUI Chunsheng1，2
（1. National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2. Education Ministry Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract:The exploding foil detonator initiating technology dedicated to oil and gas wells，such as its structure，initiating mechanism and practical application environments，has been studied to eliminate the hidden dangers caused by the electric detonator with sensitive agents use in domestic oil and gas wells. According to the initiation requirements of the exploding foil initiator，the principle and structure of the pulse power source for 5000 V direct current has been analyzed and designed. A mathematical model for exploding foil detonator initiating circuit has been established to study the parameters and the features related to the energy storage capacitor and the switch tube of two important components and recommendations have been proposed for device selection. The Experimental results show that this system is adaptable to the underground high temperature environment and can meet the initiation requirement of the exploding foil detonator. The studies can provide a technical reference for promoting home-made exploding foil detonators in civilian areas.

Keywords:exploding foil initiator；oil and gas well；pulse power source；modeling analysis

作者简介：李婷婷（1990-），女，山东安丘市人，硕士研究生，专业方向为测试计量技术与仪器。

基金项目：山西省回国留学人员科研资助项目（2014-052）；山西省煤层气联合研究基金项目（2013012010）

收稿日期：2015-07-13；收到修改稿日期：2015-09-17

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.019

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）02-0083-05