液压延时射孔起爆装置的研制与应用

张维山, 欧阳飞, 隋朝明, 王宪超, 胡津辉, 唐其林

(1.中国石油渤海钻探工程有限公司测井公司, 天津 300280; 2.川南航天能源科技有限公司, 四川 泸州 646005)

0 引 言

延时起爆技术在管柱传输射孔中应用广泛,主要作用:①建立负压[1],在特定工艺中,延时技术是建立负压的主要方法之一;②便于监测射孔枪的引爆[2],加入延时后,更容易准确判断射孔枪是否正常引爆;③预留其他操作的时间,在延时时间内,有足够的时间进行井口装置的开关操作;④应用于特殊工艺,射孔丢枪作业中,选用延时时间不同的延时装置,实现引爆射孔枪后再丢枪的先后次序。

火药延时起爆技术是延时射孔的主要手段。液压延时器在小井眼作业中有个别应用案例[3],亟需安全可靠、操作方便、应用范围广的液压延时起爆技术。火药延时起爆技术的原理是将延时装置连接在点火头和射孔枪之间,起爆器的输出能量传递给延时装置,延时起爆管先将爆轰转燃烧,通过火药燃烧实现延时,再将燃烧转换为爆轰,进而引爆射孔枪,起到延时和传递爆轰的作用。火药延时起爆技术在实际应用中存在不足:①需要进行2次能量转换,既要完成延时,又要完成射孔枪的起爆,容易返工;②在井下高温条件下,延时火药受成分、纯度、加工工艺等因素影响,具有不稳定性,延时时间不准确,可靠性低;③增加火工品运输、储存环节;④只能抽样检测,无法确保每件产品完好可靠。本文介绍了一种全新的液压延时起爆技术,液压延时装置整体采用机械结构,具有稳定性高、安全可靠、操作方便、应用范围广等优点,在现场多种作业条件下应用,取得了良好效果。

1 液压延时起爆技术

考虑设计一种新产品,其延时系统采用机械液压结构,不含火工品,待延时结束后再进行点火引爆射孔枪。该技术是液压延时技术和射孔起爆技术的结合,称为液压延时起爆技术,其规避了在延时阶段使用火工品的种种缺陷。

中国石油渤海钻探工程有限公司测井分公司研制出液压延时起爆装置,该装置由3个系统构成,分别为激发系统、延时系统和点火系统。激发系统根据具体井况要求设定激发条件,当井筒压力值达到阈值时,激发系统动作,启动延时系统;延时系统为装置主体,由井筒压力带动活塞推动液压油,液压油由油缸经过延时阀进入溢油腔,通过延时阀控制延时时间;点火系统在延时系统结束后自触发,由井筒压力推动活塞撞击并引爆起爆器,产生爆轰波,最终完成射孔枪的起爆。

2 液压延时起爆装置的结构设计

2.1 激发系统

激发系统由传压通道、芯杆、剪切组件组成。下井过程中静液柱压力通过传压孔始终作用在芯杆下端,当井筒压力值超过销钉剪切值时,剪切销钉被剪断,芯杆在井筒压力作用下上移,启动延时系统。

2.2 延时系统

延时系统由活塞、油缸、溢油腔、延时阀、延时液压油等组成。延时系统启动后,井筒压力通过芯杆传递到活塞,活塞上移推动油缸内的延时液压油,通过延时阀进入溢油腔。活塞运动到预定位置后停止,延时过程结束。

液压延时起爆装置的延时阀采用独特设计:同心环形缝隙流结构[4],利用液压油通过环形间隙时的流动阻力控制延时时间,控制精度高。

2.3 点火系统

点火系统由限位杆、限位筒、限位钢球、撞击活塞、起爆器组成。限位杆与芯杆连接,随着活塞的运动上移。活塞上行过程中,芯杆联动限位杆,拉动限位筒上移,活塞运动到预定位置后,限位筒释放限位钢球,解锁撞击活塞。井内压力通过传压通道作用在撞击活塞的上端,推动撞击活塞撞击起爆器顶部,引爆起爆器。

2.4 整体工作原理

通过井口加压启动液压延时装置,井筒压力通过传压通道作用在芯杆下端,当井筒压力值超过销钉剪切值时,推动芯杆剪断剪切销钉。压力推动芯杆继续上移,同时推动活塞、拉动限位杆上移。延时液压油在活塞的推动下,由油缸通过延时阀进入溢油腔,实现延时。活塞运动过程中,芯杆联动限位杆拉动限位筒上移,活塞运动到预定位置后,释放限位钢球,解锁撞击活塞。此时井筒压力通过传压通道作用在撞击活塞上端,推动撞击活塞下行,撞击在起爆器顶部,引爆起爆器,产生爆轰波并最终引爆射孔枪(见图1)。

图1 液压延时起爆装置整体结构

图2 液压延时起爆装置入井结构

2.5 装置参数

液压延时起爆装置总成安装在外壳内,连接在整个管柱中(见图2)。液压延时起爆装置长度为870 mm,外壳直径分别为Φ91 mm、Φ102 mm、Φ114 mm、Φ121 mm;耐温210 ℃,耐压150 MPa,抗拉强度601 kN;2种销钉混装,单销钉剪切值分别为4.64、8.26 MPa,满装总剪切值185.8 MPa;可控延时时间为6～120 min。

2.6 延时时间计算

延时时间长短受延时阀结构、延时液压油黏度及井筒压力影响。①延时阀缝隙流的间隙大小改变液压油流动阻力。间隙越大,流动阻力越小,延时时间越短;②不同延时液压油具有不同运动黏度,黏度受温度影响,温度越高,运动黏度越低,延时时间越短;③井筒内压力的高低改变延时时间,压力越高,活塞推动力越大,延时时间越短。现场施工中,选定延时阀型号、延时液压油种类后,延时时间受温度和井内压力影响,随温度和压力升高而缩短。

将延时机构放入特定试验装置内,改变温度、压力参数,测定延时时间,得出温度—压力—延时时间图版(见图3)。通过室内大量试验数据,归纳总结出延时时间的经验计算公式

t=(tstatic×tp-t0×tstatic)/tp+t0

(1)

式中,tstatic为井温状态下压力为静液柱压力时的延时时间,min;tp为井温状态下压力为剪切压力时的延时时间,min;t0为保压时间,min。

图3 延时时间—压力—温度曲线

3 液压延时起爆装置的试验

3.1 耐压试验

将液压延时装置放入试压筒内,进行常温、高温下的整体耐压试验[5](见图4),验证其在150 MPa/30 ℃、140 MPa/210 ℃下整体结构强度和密封方式是否可靠,能否进行正常工作。该试验常温、高温下各进行了2次。

图4 耐压试验装配图

3.2 剪切销钉剪切力验证试验

选择2种直径不同的剪切销钉进行常温、高温下的剪切值测试[6],测试结果验证其实际剪切值和理论计算值基本一致。试验装配图同耐压试验装配图(见图4),每种剪切销钉常温、高温均试验2次。剪切销钉1的实际剪切值为8.1 MPa/个,理论值为8.26±0.41 MPa/个;剪切销钉2的实际剪切值为4.66 MPa/个,理论值为4.64±0.23 MPa/个。误差均在2%以内。

3.3 高温延时试验

测试结果验证延时阀延时时间符合理论计算(见图5)。选取4套延时阀,在205 ℃/105 MPa下延时时间为6～11 min,在205 ℃/50 MPa下延时时间为25～38 min内,基本符合理论计算。

图5 延时试验装配图

3.4 整体加压延时发火试验

试验验证产品整体性能完好,剪切延时发火功能均正常。按试验装配图组装产品(见图6),放入高温烘箱,接好试压泵,保温210 ℃/4 h,加压点火,试验2次,延时时间正常,起爆器正常起爆。

图6 整体加压延时发火试验装置图

表1为火药延时与液压延时特点对比。

表1 火药延时与液压延时特点对比

从表1可知,相比火药延时,液压延时在延时范围、储存运输、可靠性等方面均具优势。

4 现场应用

液压延时起爆技术在大港油田试验应用4井次(见表2),均一次成功,延时时间准确,达到预期作业目的。

港××井属于大港油区的1口产能井(管柱见图7),采用油管加压配套液压延时起爆射孔工艺,通过压井液密度和地层系数差值实现负压射孔。压井液密度为1.01 g/cm3,地层压力系数1.2,射孔负压值4.8 MPa;实测射孔层位温度102 ℃;102枪、小1 m弹、16孔/m、90°相位;射孔井段分别为2 949.7～2 951 m、2 952.2～2 954 m、2 955～2 956.5 m。井口加压16 MPa启动液压延时起爆装置,稳压1.5 min后停泵泄压,延时时间43 min,射孔枪正常起爆,实现负压射孔。

滨××井采用测试射孔联作工艺(管柱见图8),

表2 施工井数据

*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8m。

图7 港××井管柱结构 图8 滨××井管柱结构

为实现负压状态下射孔,给井口泄压预留足够时间,设计要求延时时间准确,不少于20 min。环空压井液密度为1.4 g/cm3,测试工具下井时为关闭状态,其上部油管人工灌入液垫,密度为1.01 g/cm3,地层压力系数为1.55,射孔负压值为19.6 MPa;实测射孔层位温度为144 ℃;102枪、小1 m弹、16孔/m、90°相位;射孔井段分别为3 850.5～3 856.5 m、3 861.3～3 867.8 m。

施工操作步骤:①射孔枪对准层位后,井口加压座封封隔器,打开测试工具使管柱内上下贯通,管柱内静液柱压力作用于封隔器以下环空;②管柱加压40 MPa启动液压延时起爆装置;③稳压1.5 min后停泵泄压,延时时间21 min,射孔枪正常起爆,实现负压射孔;④地层产物流入封隔器以下环空,经筛管流到封隔器以上的管柱内,返至地面,进行地层测试。

综合分析:现场作业中通过保压时间的设计,实现对延时时间有效控制,确保了负压状态的充分建立,减少地层污染,获得更加准确的地层、地质信息。

5 结 论

(1) 相比火药延时技术,液压延时起爆技术在性能指标、可靠性、延时范围等多方面具有明显优势。

(2) 通过实验室试验和现场应用,实现了延时时间的准确可控,满足施工作业需求。

(3) 该项技术打破了国外同行业的技术垄断,填补了传统火药延时技术在实际应用中的不足,具有较为广阔的市场空间。

参考文献:

[1] 田明, 杨继云, 邵春俊. 延时火药在深井APR射孔测试联作中的应用 [J]. 油气井测试, 2011, 20(2): 54-55.

[2] 刘增, 朱建新, 庄金勇, 等. 低孔低渗储层射孔技术改进及应用 [J]. 油气井测试, 2011, 20(4): 63-65.

[3] 李加明. Φ60 mm液压延时器的研制及应用 [J]. 石油钻采工艺, 2007, 29(4): 115-116.

[4] 许贤良, 朱兵, 张军, 等. 同心环形缝隙流理论研究 [J]. 安徽理工大学学报: 自然科学版, 2004, 24(3): 40-42.

[5] 涂九华, 李宾. 浅谈压力容器的耐压试验和泄露试验 [J]. 中国科技信息, 2014(8): 194-195.

[6] 赵建宁, 张国林. APR-M2循环阀取样器剪切销钉试验研究 [J]. 油气井测试, 2004, 13(3): 63-67.