全通径射孔起爆方法的研究.pdf

第 2 7卷第 3期 2 0 1 0年 9月 爆破 BLAS 【 NG Vo 1 ． 2 7 N o ． 3 S e p ． 2 0 1 0 D O I 1 0 ． 3 9 6 3 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 7 X． 2 0 1 0 ． 0 3 ． 0 2 5 全通径射孔起爆方法 的研究 木 薛 有 泰 ， 梁 锐 ， 李 森 茂 1 ． 中国石油集团测井有限公司 青海事业部 ， 敦煌 7 3 6 2 0 2 ； 2 ． 甘肃兰金民用爆炸高新技术公司， 兰州 7 3 0 0 0 0 摘要 全通径射孔工艺是近几年受到石油开采企业普遍欢迎的一项油气井完井技术， 但在推广应用过程 中暴露出了诸如起爆方法不尽成熟等问题 ， 针对现有全通径射孔起爆方式存在的问题， 提 出了具体地技术解 决方案， 并对试验研究结果进行详细的技术分析讨论， 现场应用结果表明， 这种新型的起爆装置完全满足全 通径射孔 工艺的作 业要 求。 关键词 全通径 ； 起爆装 置； 油 气井射孔 中图分类号 I 1D 2 3 5 ． 1 文献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 0 O 3 0 0 8 7一 o 4 Re s e a r c h o n I n i t i a t i o n M e t ho d o f Fu l l Bo r e Pe r f o r a t i o n XUE Y o u t a i ， L I ANG Ru i ， L I S e n mn o 1 ． Q i n g h a i B u s i n e s s D i v i s i o n o f C N P C L o g g i n g ， D u n h u a n g 7 3 6 2 0 2， C h i n a ； 2 ． G a n s u L a n j i n C i v i l B l a s t i n g H i g h t e c h C o mp a n y ， L a n z h o u 7 3 0 0 0 0 ， C h i n a Abs t r a c tT h e f u l l b o r e p e rf o r a t i o n t e c h n i q u e i s a wi d e p o p u l a r 0 i l a n d g a s we l l i n o i l e x p l o i t a t i o n b u s i n e s s o v e r t h e y e a r s ， b u t t h e re a r e s o me p wb l e ms ， p r e ma t u r e i n i t i a t i o n me t h o d， e x p o s e d i n c o u pe o f a p p l i c a t i o n a n d d i s s e mi n a t i o n ． T h i s p a p e r p u t s f o r w o r d s p e c i fi c t e c h n i q u e s o l u t i o n s f o c u s i n g o n t h e e x i s t i n g p r o b l e ms i n f u l l b o r e i n i t i a t i o n， a n d als o a n a l y z i n g an d d i s c u s s i n g t h e t e s t r e s u l t s i n d e t a i l s ． Th e s i t e t e s t r e s ult s s h o w t h a t t h i s n e w i n i t i a t i o n d e v i c e s c a n f u l l fi l l wi t h t h e r e q u i r e o f f u l l b o re p e rf o r a t i o n t e c h n i q u e ． K e y wo r d sf u l l bor e ；i n i t i a t i o n d e v i c e ；o i l and g a s we l l p e rf o r a t i o n 0 引言 全通径射孔技术是在现有的油管传输射孔工艺 的基础上发展起来的一项新技术， 主要解决传输射 孔重复起下管柱的问题， 其技术核心是解决射孔后 整个射孔管柱内腔的堵塞 问题 引， 射孔起爆装置点 火起爆后 ， 其 内腔能否形成有效作业通道 ， 是影响全 通径射孑 L 工艺成败的关键 因素之一 。全通径射孔工 艺要求其起爆装 置在射孔点火前 满足耐压 密封 强 度 ， 点火后能够形成有效作业通道 ， 同时解决这样 2 收稿 日期 2 0 0 1 0 0 51 7 作者简介 薛有泰 1 9 7 5一 ， 男， 中国石油集团测井有限公司青海事 业部 工程师 ， 从 事油气 井射孔 技术管 理． E ma i l x u e y t w 1 6 3 ． c o rno 基金项 目 甘肃省 省属科 研院所 科技创 新团队资助 0 9 8 T r C A 0 0 4 个相互矛盾的问题是研究全通径起爆装置 的难点。 目前全通径射孑 L 起爆主要采用撞击式和压力式 2种 方式 ， 撞击式起爆装置利用井 口投棒撞击起爆 器击 针 ， 引爆起爆雷管 ， 炸碎预置的密封芯件来达到实现 通径的目的， 但是这种起爆方法 由于起爆 后投棒和 芯件碎块在管腔缩径等位置容易相互挤压 、 夹制而 影响有效通径的形成 ； 压力式起爆装 置采用井 口加 压来启动击针 ， 引爆起爆雷管 ， 炸碎预置密封芯件来 实现通径 ， 但是现有压力式全通径起爆装 置点火后 后产生的碎块较大 ， 易造成堵塞 ， 加工精度 要求过 高、 操作繁琐， 影响了全通径射孔工艺的大规模推 广 ， 成为该项技术发展的一个技术瓶颈。研制一种 操作简单， 起爆性能稳定， 可控压力精度高， 内部芯 件碎解粒度小 ， 通径效果好 的全通径压力起爆器势 在必行 。 8 8 爆破 2 0 1 0年 9月 1 设计思路 采用特殊材质 的金属箔 片实现压力控制 ， 在脆 性材料加工成的内部芯件上设置 3组起爆单元， 同 时在内部芯件上设计 V型预裂槽和连通 3组起爆 单元的传爆环路， 并在传爆环路内填装炸药。通过 上述途径， 以期实现高精度控制起爆压力， 明显提升 起爆可靠性 ， 降低起爆后 的碎屑粒度 ， 保证 良好的通 径性能。 2 实现方法 2 ． 1 高温耐压性能的设计 油气井射孔作业使用的起爆器， 首先应具备很 高的高温密封性能。由于 目前油气井射孔作业井温 大多数都在 1 5 0 2 以下 ， 作业压力不高于 6 0 MP a ， 为 进一步提高安全可靠性， 取安全系数为 1 ． 2 ， 则全通 径压力起爆器的最高耐温不得低于 1 6 0 c 【 ， 最高耐 压不能低于 7 2 MP a 。 全通径压力起爆器采用如图 1所示的密封方 案， 在接头与内部芯件之间采用氟胶“ 0 ” 型密封圈 活塞式密封， 芯件传压孔采用压紧块压紧金属箔片 密封。高温密封性能数据采用高温静压试验取得 ， 见表 l 。 1 一井筒液体 ；2 一接头 ；3 一压紧块 ； 4 一金属箔片； 5 一传压孔；6 - _ _ 0 型密封圈 图 1 全通径压力起爆器密封方案 表 1 高温静压试验 数据 表 由试验数据可看出， 在温度 1 8 0 c I 压力 8 0 MP a 以下， 采用上述设计的高温高压密封是可靠的。 2 ． 2 起爆压力的控制的设计 作为全通径压力起爆器， 起爆压力控制精度的 高低、 使用是否安全可靠、 设置方法是否简单是衡量 性能的一项重要指标。该起爆器采用在传压孔上方 装配金属箔片 ， 通过对单个金属箔 片的材料及厚度 的设计 ， 实现全通径压力起爆器 的分度值设定 ， 而后 通过调整该金属箔片的数量 ， 达到对起爆压力 的控 制。 2 ． 2 ． 1 单个金属箔片剪切强度的设计 首先， 对单个金属箔片进行设计。单个金属箔 片的整体受力分析如图2 图 1 金属箔片附近局部 放大 ， 对于金属箔片来说 ， 重力 G可忽略 ， 井筒 内 液体施加的， ’藏 ， 压紧块对金属箔片的压力F 压 ， 以及 内部芯件对金属箔片的支持力 ， 支 ， 其力学关系为 F x F 压 液 。对于传压孔上方的与其大小相同的 金属箔片部分， 它的受力如图3 ， 其受作用在与传压 孔面积相同的F 液， 自身重力 G可忽略， 以及传压孔 边缘对这个面积给予的支撑力 F 边， 由于边界条件相 同， 可以认为F 曲 是均匀分布在这个以传压孔为底面 圆周的圆柱面上。F 边 就是金属箔片对应传压孔的 剪切 力。 1 一井筒液体；2 一内部芯件 ；3 一压紧块； 4 一金属箔片；5 一传压孔 图2 单个金属箔片受力分析 图 3 金属箔片剪切部分 的受 力分析 根据上述分析， 得出以下方程 引 ．r 1 ．r I 金属箔片剪切的判定条件为 h≤ 2 ≤ 2 ‘ t 70 式中 D 孔 为传压孔的直径， m m； P为单个金属箔片 的剪切强度 井筒内液体压强 ， MP a ； - 为金属箔片 的剪应力， M P a ； h 为金属箔片的厚度， 咖 ； 丁 。 为金属 箔片材质的极限剪切强度 ， M P a 。 第 2 7卷第3期 薛有泰， 梁锐 ， 李森茂全通径射孔起爆方法的研究 8 9 式 2 中， 单个金属箔片的剪切强度 井筒内液 体 的压 强 P取 为 5 MP a ， 传 压 孔 直 径 D 孔取 为 2 1 m F n ， 金属箔片材质的极限剪切强度 ,r o 2 6 2 ． 5 M P a ， 计算得出h ≤ O ． 1 m l n ， 取其最大值0 ． 1 ln ln ， 并在室温 2 0 ～ 2 5℃ 下进行试验， 数据见表2 。 表2 室温下单个金属箔片的剪切强度 由表2数值分析， 单个金属箔片实测平均剪切 强度 5 ． 1 3 5 MP a ， 与理论值误差 0 ． 1 3 5 MP a ， 误差 率 2 ． 7 ％； 最 大值 5 ． 1 5 M P a ， 与理论 值误 差 0 ． 1 5 MP a ， 误差率 3 ％ ； 最小值 5 ． 1 2 MP a ， 与理 论值误差 0 ． I 2 MP a ， 误差率 2 ． 4 ％。由此可以得 出单个金属箔片的剪切强度是可 以准确设计 的， 而 且其性能稳定。 2 ． 2 ． 2 多个金属箔片叠加剪切强度的设计 由于油气井射 孔作业 中， 每 口井 的压力不尽相 同， 地层压力从几 MP a到几 十 M P a ， 所 以仅有单个 金属箔片或固定设计单个剪切值是无法满足现场使 用要求的 ， 因此 ， 在现场应用中通常要对全通径压力 起爆器进行可控压力的调整设计， 这样就可能使用 到多个金属箔片 ， 多个金属箔片的承压情况如何 ， 就 是我们必须研究的问题。 由上面单个金属箔片的分析， 在材料一定， 传压 孔一定的情况下 ， 决定其承压性能 的就是金属箔 片 的厚度 h ， 多个金属箔片叠加， 等于增加了承压厚 度， 增大了剪切面， 将式 1 变形为 P ≥ 等 ㈣ 式 3 中， 当 变为 时 ， 则 J P ≥n 尸 4 式中 h 为 n 个金属箔 片的厚度 ， m l n ； P 为 n个金 属箔片的剪切强度 井筒内液体压强 ， M P a 。 式 4 说明， 当设置 n 个金属箔片时， 其剪切强 度为这 n个金属箔片的剪切强度总和。室温下金属 箔片叠加试验数据如表 3 。 表3 室温下金属箔片叠加实验数据 口温度 金属箔 理论叠加剪切 实测剪切 误差误差率 “ ／ E 片数量 压力／ MP a 强度／ MP a／ MP a ／ ％ 由表 3数据可以看 出， 通过金属箔 片叠加实现 剪切强度的控制是可行 的， 而且具有较高精度。 2 ． 2 ． 3 温度对金属箔片剪切强度的影响 作为在油气井下使用的产 品， 我们有必要研究 温度对全通径压力起爆器起爆压 力的影响 ， 通过大 量试验数据分析 ， 绘制出如下 曲线 ， 如图 4 。 图4 金属箔片剪切压力受温度的影响 在现场使用中， 可利用已知 的地层温度 ， 从 图 4 中线性插值求得金属箔片在该温度下的剪切强度降 低率， 对设计数据进行修正， 使现场设计更加准确。 2 ． 3 内部芯件的设计 为了提高全通径压力起爆器的起爆性能， 在脆性 材料加工的内部芯件上设计了3 组起爆单元， 分布如 图5 ， 3 组起爆单元互相连通， 任何 1 个击发均可实现起 爆， 并同时激发另外 2个。在内部芯件上设计 V型预 裂槽， 全通径压力起爆器起爆后， 利用起爆单元及传爆 环路中的炸药爆轰作用使内部芯件碎解。 2 ． 3 ． 1 起爆单元的设计。 起爆单元作为起爆部件。首先 ， 应具备普通雷 爆破 2 0 1 0年 9月 管的功能， 即很高 的起爆率和充足 的起爆能量 ； 其 次 ， 由于全通径压力起爆器是在井下高温环境使用 的， 所以起爆单元必须具有耐高温性能； 最后 ， 起爆 单元还应该具备密封功能。 1 一压紧块 ；2 一起爆单元；3 一金属箔片； 4 一内部芯件 ；5 一传压孔；6 一传爆环路； 7 0 型密封圈 图 5 内部芯件结构图 基于上述分析， 设计了如图6 所示的起爆单元， 当外部压力 传压孔 压力大于 3 MP a时， 固定销失 效， 击针 陕速下行 ， 撞击下部点火雷管的撞击击发点， 引爆高温起爆药， 继而激发高温主装药， 实现起爆。 l 一击针座；2 一点火雷管；3 一固定销 ； 4 一高温主装药 ；5 ～高温起爆药； 6 一撞击击发点；7 O 型密封圈 ；8 一击针 图6 起爆单元结构图 2 ． 3 ． 2 传爆环路的设计 设计传爆环路 的 目的主要有 2个。其一 ， 实现 3个起爆单元的连通； 其二， 增加内部芯件的装药 量， 增加爆轰能量 ， 以期取得 良好的破碎效果 。 传爆环路中装填的炸药选择与点火雷管中高温 起爆药、 高温主装药相匹配的 A型高温炸药， 采用 人工装填， 装药密度 1 ． 2 5 1 ． 3 5 g ／ c m ， 要求均匀， 装填完成后， 装药口用高温胶密封。 2 ． 3 ． 3 内部芯件碎解要求及控制 内部芯件碎解粒度要求依照如下原则， 即任2块 碎块的最长边之和不得大于通道内径。控制方法是 保证任一碎块的最长边小于通道内径的一半。在全 通径压力起爆器中通径 通道内径 要求为6 0 r fl m， 则 任一碎块最长边必须小于 3 0 m m， 为了保证 通径效 果， 设计应控制在2 3 m m以内， 即碎解粒度不能超过 2 3 r n m 2 3 mm。 为了达到上述碎解粒度的要求， 除了利用起爆 单元及传爆环路中炸药的爆轰能量外， 还在内部芯 件的上 、 下表面设计 了 1 0 mm1 0 m m的网状 V型 预裂槽 ， 增加爆炸时的临界面及爆破裂缝导向， 使 内 部芯件碎解均匀。 3 地面模 拟试验 完成 了全通径压力起爆器的系统设计之后 ， 进 行了地面模拟试验， 数据见表 4 。 表 4 全通径压力起爆器地面模拟试验数据 序 号 斧 ／起M 爆P a ／起 M 爆P a ／ ℃ 片 数 量 压 力 压 力 效 果 、 地面模拟试验进行 了 5组 ， 全部顺利起爆并达 到通径要求， 其中起爆压力最大误差 0 ． 7 3 M P a ， 内 部芯件碎解后的最 大粒度为 2 0 m m1 7 mm， 达到 预期设计要求。 4 现场应用 2 0 0 8年 1 1月 2 3日， 在某油 田5 ． 4 3井配套全通 径射孔作业 ， 作业段深度 2 5 1 2 I T I ， 温度 7 3 ， 压力 2 5 ． 2 M P a ， 设计起爆压力 温度修正后 3 3 ． 9 5 M P a ， 实测起爆压力 井 口压力 液柱压力 3 4 ． 3 5 MP a ， 压力误差 0 ． 4 MP a ， 作业后管路通畅。 2 0 0 8年 l 2月 5日， 在某油 田6 - 3井配套全通径 射孔作业， 作业段深度 3 2 8 5 1T I ， 温度 8 6℃， 压力 3 2 ． 9 MP a ， 设计起爆压力 温度修正后 3 8 ． 4 8 MP a ， 实测起爆压力 井 口压力 液柱压力 3 9 ． 1 4 MP a ， 压力误差 0 ． 6 6 MP a ， 作业后管路通畅。 全通径压力起爆器在上述两口井全通径射孔作 业中的成功应用 ， 表 明其设计能够满足现场全通径 射孔作业的要求。 5 结论 1 采用特殊材质的金属箔片作为承压 、 控压元 件， 利用金属箔片叠加实现对全通径压力起爆器起 爆压力的调整与控制， 具有较高精度。 下转第9 3页 第 2 7卷第 3期 傅仁军 ， 罗运柏火药燃烧有毒有害气体产物分析 9 3 高能气体压裂施工中有毒有害气体能否溢出， 身伤害。 溢出量的多少与地层条件、 井况和装药等条件有关 ， 应加强现场监测。 参考文献 3 结论 1 火药的氧平衡水平是其燃烧气体中的 C O含 量高低的决定 因素 。燃烧压力对燃烧气体中的 C O 含量基本没有影响。 2 燃烧压力降低 ， 火药燃烧气体 中的 N O含量升 高； 火药含氮量高低也影响燃烧气体中的 N O含量。 3 S J 、 G T两种类型的火药燃烧气体产物中均有 C O、 N O。C O为有毒气体 ， N O在空气 中极易氧化成 为 N O ， N O 也为有毒气体。因此在高能气体压裂 施工 中应密切监测有毒有 害气体含量 ， 防止发生人 周起槐， 任务正． 火药物理化学性能[ M] ． 北京 国防 工业 出版社 ， 1 9 8 3 ． 周敏， 浦春生， 王香增， 等． 高能气体压裂弹燃气组 分安全性试验评价研究[ J ] ． 石油天然气学报， 2 0 0 9 ， 3 l 2 1 2 6 - 1 2 7 ． 胡岚， 张皋， 王婧娜， 等． 火药燃烧气体产物检测 方法研究[ J ] ． 含能材料， 2 0 0 8 ， 1 6 5 5 2 7 - 5 2 9 ． 陈智群 ， 潘清， 胡岚， 等． 用 I R测定发射药燃气研 究[ J ] ． 含能材料， 2 0 0 7 ， 1 5 1 3 6 3 8 ． 吴瑾光． 近代傅里叶变换红外光谱技术及应用 上卷 [ M] ． 北京 科学技术文献出版社， 1 9 9 4 ． 上接 第 8 6页 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 陈圣波， 李维江， 吴国栋． 地雷爆破器材质量检测发现 的问题及对策建 议 [ J ] ． 工 兵装备研究， 2 0 0 6 2 4 9 ． 5 2． 张冰， 张汝波． 一种软件成本估算方法的评价方法 [ J ] ． 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 9 3 1 4 9 ． 1 5 1 ． G J B 2 6 7 5 --1 9 9 6弹药作业区安全技术准则[ S ] ． 黎坤 ， 陈晓宏， 江涛， 等． 多 目标系统模糊优选理 论在城市饮用水源地选址中的应用[ J ] ． 中山大学学 报 自然科学版 ， 2 0 0 5 4 1 8 2 ． 1 8 6 ． [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 周晓光 ， 王晓华． 工程管理的模糊分析[ M] ． 上海 上 海交通大学出版社， 2 0 0 4 1 0 1 9 ． L I U X， WI R T Z K W． D e c i s i o n ma k i n g o f o i l s p i l l c o n t i n g e n e y o p t i o n s w i t h f u z z y c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n[ J ] ． Wa t e r R e s o u r c e s Ma n a g e m e n t ， 2 0 0 7 4 6 6 3 - 6 7 6 ． 李朝霞， 牛文娟． 水电梯级开发对生态环境影响评价 模型与应用[ J ] ． 水力发电学报 ， 2 0 0 9 4 3 5 - 4 0 ． 唐中富， 姚泽华， 钱剑雄， 等． 基于模糊评价和层次分 析法的客运索道安全评价方法研究 [ J ] ． 中国安全科 学学报， 2 o o 8 6 1 5 2 ． 1 5 7 ． 上接第9 O页 2 在 内部芯件设计 3组起爆单元 ， 提高了全通 径压力起爆器的可靠性。 3 通过在 内部芯件上 设计预 裂槽 ， 填装 炸药 ， 降低了全通径压力起爆器起爆后的落物碎解粒度。 4 通过相关试验和现场应用表 明， 全通径压力 起爆器完全满足全通径射孔作业的使用要求。 参考文献 [ 1 ] L I S e n m a o ． R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n O i l c o mp o s i t e pew - [ 2 ] [ 3 ] d e r f o r c o mb u s t i b l e ＆ e x p e n d a b l e c h a r g e t u b e i n o i l a n d g a s w e l l s [ c] ∥WA N G X u g u a n g ． N e w D e v e l o p me n t o n E n g i n e e r i n g B l a s ti n g [ M] ． B e i j n g M e t al l u r g i c a l i n d u s t r y p r e s s ， 2 0 0 9 4 2 5 -42 9 ． 李森茂 ， 孔凡鹏 ， 杨新锋． 全通径射孔弹架专用粘结剂 的研究 [ J ] ． 爆破， 2 0 0 4 ， 2 1 3 8 5 - 8 7 ． 毕谦 ， 程培基． 材料力学 [ M] ． 重庆 重庆大学出版 社 ， l 9 9 4 4 2 - 4 6 ． 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J n