固定址编码式自动寻址技术在分簇射孔中的研究与应用

刘毅

(中石化胜利石油工程有限公司测井公司,山东东营257096)

0 引 言

随着石油、天然气能源需求量不断增加,各国家为了补充油气资源的产能,非常规油气开发成为勘探开发的主要方向。固定地址编码式分簇射孔技术的研发与应用,为非常规油气的勘探开发提供了有力的工程技术手段,能够有效降低页岩气等非常规油气井的开发成本。

在页岩气等非常规油气资源射孔完井中,第1段通常采用油管或连续油管输送射孔,为首次压裂提供通道,其余段采用泵送桥塞与分簇射孔联作工艺完井[1]。分簇射孔方式主要有2种:①压控转换分簇射孔,通过井筒液体压力推动转换装置断开下级射孔枪,接通上级射孔枪,实现再次起爆射孔,必须由下而上逐级起爆[2],使用简单,但也存在一些技术问题。②编码式分簇射孔,由下而上起爆,克服了压控式分簇射孔上一簇的枪起爆受下一簇枪起爆控制的特点,中间可以选发。因此,可以利用选发的特点,增加下井的射孔枪数来保障多簇射孔的成功率。

现阶段,Schlumberger公司和Dyna公司已经具备了编码式分簇射孔技术,但是技术原理不同,在应用方面还存在欠缺。该技术在中国的应用刚刚起步,大部分油田的编码式分簇射孔装置是由国外引进。引进的国外编码式分簇射孔装置主要有2种形式,第1种是“无地址电子开关选发+专用雷管”,此方式电子开关与专用雷管必须配套使用[3],采用其他类型的雷管无法点火。第2种是浮动地址电子开关选发,电子开关的地址是浮动的,每检测一次电子开关地址会随机变化,电子开关与枪身雷管的对应性不明确,特殊情况下会发生地址混乱(见下文的试验结果)。针对以上分簇射孔装置的优缺点,论述了自主研发的非常规分簇射孔的固定址编码式的射孔技术。该技术在胜利油田的非常规油气井多簇射孔中进行了应用,并取得了良好效果。

图1 3簇电子开关连接原理图

1 固定址编码电缆分簇射孔原理

固定址编码式的电缆分簇射孔利用单芯电缆供电,通过地面系统向井下发送不同的控制命令选择打开射孔器的电子开关,接通射孔器的雷管,通电点火实现该级射孔器的起爆。可以携带备用射孔器,桥塞座封、分簇射孔等多个环节一趟完成。在分簇射孔中将多支射孔器串连接在一起,每一簇射孔器的下端连接1个电子开关(电子开关有唯一的地址编码来对应每一簇射孔器号),射孔器最下端连接桥塞。下井前先输入每一簇射孔器所对应的电子开关的地址,下井后通电核对无误后继续施工;找准桥塞位置点火坐封桥塞后,上提射孔器串,对准射孔层位,进行第1簇射孔起爆;然后再上提射孔器串,对准第2层射孔层位,进行第2簇射孔器起爆;以此类推。点火前,地面控制先检查每一簇射孔器所对应的电子开关的地址编号是否正确,然后再接通该簇射孔器的雷管进行点火,实现该簇射孔器的起爆。

2 固定址编码式分簇射孔系统

固定址编码式分簇射孔系统主要由地面控制装置、井下固定地址电子开关装置(即电子开关)、射孔器3部分组成。地面控制装置由电子开关控制软件和地面控制面板(SPS面板)组成,对井下电子开关进行工作状态监控,确保射孔施工的安全和可靠;井下电子开关装置安装在每支射孔器的下方,每簇射孔器之间采用单线连接,电子开关控制缆芯和雷管通道的通断;射孔器由射孔枪、雷管及射孔弹等组成。其中雷管分别受各级电子开关控制,从而实现分簇点火的功能;电子开关属井下部分,为编码式分簇射孔核心控制器件。

2.1 固定址编码电子开关的原理

固定址电子开关是编码式分簇射孔的关键部件。每个电子开关都有独自特定的地址编码,同一个电子开关不论放在什么位置,经过多少次检测,其检测的地址都相同。电子开关内有2道开关,分别命名为A开关和B开关。A开关控制射孔器之间的缆芯接通,B开关控制雷管接通。(见图1)。

2.2 固定址编码电子开关的自动寻址控制

电子开关的自动寻址是通过电子开关的控制软件为核心组成的地面控制面板实现的。主要完成与井下的交互通信,并根据控制软件的要求完成对井下电子开关的监测与寻址控制。地面连接射孔器和电子开关前,需先进行人工输入每一簇开关的地址,射孔器下入井内100 m左右,进行电子开关的整体检测,并返回每一簇电子开关的地址,经计算机系统核对无误后继续下井施工。

以下是3级射孔地面寻址控制程序图(见图2)。射孔器到井底开始射孔时,地面控制装置发送控制命令,控制电子开关接通需要点火的雷管通道,即刻发出点火指令进行点火施工。

图2 3级射孔地面寻址控制程序图

2.3 固定址编码电子开关的安全控制

为确保对每一簇电子开关准确的控制,采用了固定地址校验这项安全控制技术,和A、B开关互锁技术,从而确保开关不会发生误操作。采用了双开关通道设计,增强了雷管控制开关电路防击穿的能力,从而大大提高了安全性。整套系统设有软件限流与硬件限流保护,确保在通信状态下射孔器的安全性;电流、电压实时采集,并通过曲线显示与保存。

3 编码式电子开关比较

3.1 无地址编码式电子开关

其工作原理图见图3。电子开关没有设置总的地址,只有A、B这2个开关序列,每块电子开关的A、B序列完全相同;在实际射孔应用中,必须配合专用电子雷管使用。

3.2 浮动地址编码式电子开关

浮动地址编码式电子开关的工作原理见图4。每一个开关有一个总的浮动地址和A、B这2个开关序列,浮动地址由地面赋予,且所有电子开关的A、B序列相同;多级开关连接时,每次测试的开关总地址都不同。

图3 无地址编码式电子开关原理图

图4 浮动地址编码式电子开关原理图

这类电子开关的优点是通用性比较好,和无地址电子开关相比增加了每簇射孔器和电子开关的对应性,但在实际应用中出现了一些问题:①高压实验室模拟3级射孔试验,采用的是3簇浮动地址开关。因装配问题,枪身的第3簇、第2簇之间发生进水现象,当时设定3簇检查时,检测出3个开关地址,实际只有第2簇1个电子开关工作。进行点火操作后,把第3簇当成了第1簇点火,发生了误射现象。②现场施工中,在完成第1级(1号)桥塞坐封和第1簇射孔枪(2号)射孔后,在进行第2簇射孔枪射孔时,编码通信出现故障,连续找到井下编码多达32个,并无休止地继续寻找,重新供电多次,以及更换面板均出现相同情况。③现场施工中,在地面连接电缆和马龙头后进行下井前测试时,加载4簇电子开关,并进行自动寻找电子开关地址时出现故障,无休止找到无数编码。

从以上实验及应用可以看出,对于浮动地址的电子开关,在特殊情况下,会出现1个电子开关显示成为多个不同开关的现象。现场射孔作业中,这种情况下就难以判断哪一簇射孔器出现故障,以及井下各电子开关的工作状态是否正常。如果在这种情况下点火会发生混乱、射错层位。

3.3 固地址编码电子开关

固地址采用16 bit二进制码,65 535个电子开关不重复,以确保电子开关在通信时的可靠性。采用这种方式时控制准确,不会出现误判。在生产过程中每个电子开关在写入控制程序时,灌封固定的不同地址时需要进行单个处理。图5是固定地址电子开关检测图,其中的2B、16、A5为电子开关固定地址,此状态为3级电子开关进行4级检测的状态,第1级没有开关地址为空。

图5 3级开关4级检测控制界面

特殊情况模拟试验,让第3级开关输出短路,进行3级检测,出现2个2 B地址(见图6),由于人工录入电子开关只有1个2B地址,从而判断出第3级电子开关输出以后的位置出现了问题,可以准确判断第3级射孔器可以正常点火。进一步证实了固定地址的唯一性使得不会发生混乱、射错层位现象。

图6 模拟特殊情况下控制

4 固定址编码式分簇射孔技术在油气井中的应用

固定址编码式分簇射孔技术经过了175 ℃的温度检验,证实耐温性能达到了设计指标,并设计了专用电子开关保护舱,保护电子开关可以重复利用。并在数口井的射孔施工中进行了应用(见表1),未出现返工情况,取得了良好的效果。其温度、抗震性能、控制性能、工作稳定性等方面都达到了现场使用要求。

表1 在胜利油田的推广应用

5 结 论

(1)基于固定址编码方式的电缆分簇射孔装置能够满足现场应用。该项技术克服了压控式分簇射孔由下而上逐级起爆的局限性,能够选发起爆,可以携带备用射孔器,提高了分簇射孔的成功率。

(2)克服了浮动地址存在的不安全因素。可以配接多种雷管,拓展了适用性。

(3)地面控制装置可以对井下射孔器之间的电子开关工作状态进行实时监控,并予以记录和保存。