油管输送射孔多级可控声波起爆技术探讨

于秋来,张伟民,蔡山,陈瑞,李昌松

(大庆油田有限责任公司试油试采分公司,黑龙江大庆163412)

0 引 言

油管输送射孔主要通过投棒撞击或者井口加压方式引爆射孔器[1]。常用的起爆装置、延时装置和安全传爆装置及配套火工品均为一次性消耗品,起爆成本较高。另外,当井口加压起爆时,还需要使用泵车和罐车,又额外增加了起爆费用。近年来,国内外相继开展新型油管输送射孔起爆技术研究。中石化胜利油田测井公司研制了一种油管输送射孔电源棒,沿油管内投入井下,当与井下起爆装置接触后实现电流输出,并起爆电雷管[2]。此外,国内外相关公司开展了以声波作为信号载体,油管柱作为信息传输通道的井下信息无线传输技术方面研究[3-8]。其中,斯伦贝谢公司开发了Muzic井下分布式数字无线遥测系统,能够实现双向通信,一方面实时获取井下测试数据,另一方面可通过无线声波命令控制井下工具(测试阀、循环阀、取样器)。在此系统的基础上,开发了无线声波eFire -TCP点火头[9],利用地面Muzic遥测采集控制器发出无线命令,通过中继器网络(中继器间隔305 m)向井下传输至点火头,起爆射孔枪串。哈里伯顿公司开发了新型声波启动点火头,不需要压力或机械干预进行操作,只需要最小的静水压力来保证作业成功,用声波遥测代替压力启动,作业更安全,更节省时间。2018年,大庆油田有限责任公司试油试采分公司开展了油管输送射孔多级可控声波起爆技术研究,在降低油管输送射孔多级起爆成本的同时,也为现场施工提供更加安全、可靠的技术保障。

1 技术原理及特点

1.1 技术原理

图1为声波无线控制起爆技术管柱示意图。基于声波无线传输原理,地面编码控制装置控制声波发生装置发出多组特定编码的声波信号,这种特定的声波编码信号沿油管柱向下传输;多级井下接收装置检测接收到信号后,进行滤波、解调等处理;当接收的信号与各自预设的信息吻合后,发出点火指令,控制电源向雷管放电,击发电雷管,进而起爆各级射孔枪串。

图1 声波无线控制起爆技术管柱示意图

1.2 技术特点

地面控制装置工作环境温度为-40～40 ℃;声波发生装置工作电压为220～3 000 V,适用于73 mm和89 mm油管。

井下接收装置耐温125 ℃、耐压70 MPa,可连续工作24 h。声波无线传输距离远,达到2 000 m(不加中继器),可以实现井下多级起爆控制。仅电雷管为一次性消耗品,起爆成本较低,可满足射孔-测试联作等特殊工艺起爆需求。

2 配套装置和工具

2.1 声波发生装置

声波发生装置主要由主机信号输入单元、半圆形声波发生器、发生器外壳等组成。基于换能器发声原理,对压电陶瓷换能器的陶瓷片施加一个交变电场,陶瓷片时而变厚时而变薄,同时产生振动,发射高频声波,声波频率9 000～13 000 Hz。该声波信号为1组5个声波信号,每个声波信号利用预设的时间间隔开(见图2)。1组特定编码的声波信号以非线性声波方式经过油管柱向下传输。

图2 特定编码声波信号实例

2.2 编码控制装置

编码控制装置通过设置特定的编码程序,向声波发生装置供电,控制声波发生装置发出特定编码形式的声波。编码控制的原理是把声波信号确定为通信系统所用的“字符”,然后利用摩尔斯编码原理对该“字符”进行编码,组成2个不同信号持续时间的标准化序列,即点和破折号或点和点。利用该编码原理可实现多种组合编码并可对井下多级起爆进行控制编码。

此外,编码控制装置还具有自动调频功能。自动调频指的是检测所接收的输入信号的频率,根据既定的规格来确定或更改频率。它的工作原理是在系统开始工作的前期短时间内,地面控制系统给声波发生装置发出工作指令,声波发生装置收到指令后将电能转换为多组不同频率声波动能,该声波动能以声波形式沿油管向井下传输。不同频率的声波在传输时井下会产生共振,声波发生装置的传感器会检测到共振强度最高的频率,并反馈给地面控制系统。地面控制系统随即把该频率确定下来作为优化的发射频率,指示井口传感器利用该频率进行信号发射和传输。

2.3 井下接收装置

井下接收装置由接收器、电池组、控制电路和信号输出端口等组成(见图3)。上部有圆形声波接收器,接收器中包括1个电容器(即电容式麦克风),其振膜很薄,可以响应宽频率范围声波。振动膜和紧密间隔的背板之间的电场变化将声音信号转换为电流,可以将其放大并转为输出电信号。井下接收装置的接收和解码原理与摩尔斯编码的“接收和解析”功能设置一致,能够准确识别和判断编码组合所代表的指令。利用该方法可以实现多组信号的独特组合和安全识别,进行安全的多级起爆。

图3 井下接收装置电路示意图

此外,井下接收装置增加了2种安全功能设计。①设计了发火电路控制开关功能,当井下接收装置接收的信号与预设信号匹配后,接收装置向继电器开关发送1个电信号,控制继电器开关的通断;利用继电器实现电源与雷管间的电路导通控制,提高施工安全性。②增加了接收装置延时唤醒功能,装置的工作启动时间可调范围为0～300 min。由此,在地面连接以及一定深度管柱下入过程中,接收装置始终处于休眠状态,既节约电池电量,也可降低下管过程中的起爆风险。

3 模拟试验

3.1 油管传输试验

将声波接收装置连接在油管下端。地面模拟发射和接收试验;工具下井,下入5根油管,起出并回放数据;再分别下入油井中100、150、300、500、800、1 000、1 200 m和1 500 m层段处,起出下井工具并回放数据,检验油管柱中声波的传输性能(见图4、图5)。

图4 1 000 m测点信号

图5 1 500 m测点信号

通过数据回放,各测量点未发生信号数据丢失情况,信号接收比较稳定。声波衰减幅度很小,每100 m衰减10 dB,地面系统增压至2 kV后,声波信号可沿油管柱可靠传输2 000 m。

3.2 编码控制传输试验

编码控制装置设定3种特定编码信号开关(3个不同颜色的开关),控制声波发生装置发出不同的声波信号。信号沿管柱和枪身向下传输至接收装置,检查发光盒的三色灯是否正常点亮。试验管柱从上到下包括声波发生装置、3根油管、2根枪管、接收装置、继电器、电源、发光盒。试验中,3种特定声波信号发出后,发光盒对应颜色的LED灯正常闪亮,表明信号输出正常,分级控制功能可靠。

3.3 声波控制发火试验

编码控制装置的红色编码信号开关控制声波发生装置发出特定的声波信号,信号沿3根油管向下传输至接收装置,当与接收装置预设信号吻合后并点亮红色的LED灯,同时继续输出电流起爆雷管。试验管柱从上到下包括声波发生装置、3根油管、2个接收装置、继电器、发光盒、电源、雷管。通过试验,发出控制信号后,雷管正常起爆,表明声波控制雷管起爆方案可行。

4 结 论

(1)通过不同深度声波传输试验的信号分析,声波信号接收比较稳定。按目前设计的声波频率及能量,可实现声波信号沿油管柱可靠传输2 000 m。

(2)结合油管传输试验和声波控制发火试验结论,初步验证了多级可控声波起爆技术的可行性。下一步,还需对井下接收装置的抗震性进行完善,并通过现场试验,进一步完善该工艺。