油管輸送射孔多級(jí)可控聲波起爆技術(shù)探討

于秋來,張偉民,蔡山,陳瑞,李昌松

(大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司,黑龍江大慶163412)

0 引 言

油管輸送射孔主要通過投棒撞擊或者井口加壓方式引爆射孔器[1]。常用的起爆裝置、延時(shí)裝置和安全傳爆裝置及配套火工品均為一次性消耗品,起爆成本較高。另外,當(dāng)井口加壓起爆時(shí),還需要使用泵車和罐車,又額外增加了起爆費(fèi)用。近年來,國(guó)內(nèi)外相繼開展新型油管輸送射孔起爆技術(shù)研究。中石化勝利油田測(cè)井公司研制了一種油管輸送射孔電源棒,沿油管內(nèi)投入井下,當(dāng)與井下起爆裝置接觸后實(shí)現(xiàn)電流輸出,并起爆電雷管[2]。此外,國(guó)內(nèi)外相關(guān)公司開展了以聲波作為信號(hào)載體,油管柱作為信息傳輸通道的井下信息無線傳輸技術(shù)方面研究[3-8]。其中,斯倫貝謝公司開發(fā)了Muzic井下分布式數(shù)字無線遙測(cè)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)雙向通信,一方面實(shí)時(shí)獲取井下測(cè)試數(shù)據(jù),另一方面可通過無線聲波命令控制井下工具(測(cè)試閥、循環(huán)閥、取樣器)。在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,開發(fā)了無線聲波eFire -TCP點(diǎn)火頭[9],利用地面Muzic遙測(cè)采集控制器發(fā)出無線命令,通過中繼器網(wǎng)絡(luò)(中繼器間隔305 m)向井下傳輸至點(diǎn)火頭,起爆射孔槍串。哈里伯頓公司開發(fā)了新型聲波啟動(dòng)點(diǎn)火頭,不需要壓力或機(jī)械干預(yù)進(jìn)行操作,只需要最小的靜水壓力來保證作業(yè)成功,用聲波遙測(cè)代替壓力啟動(dòng),作業(yè)更安全,更節(jié)省時(shí)間。2018年,大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司開展了油管輸送射孔多級(jí)可控聲波起爆技術(shù)研究,在降低油管輸送射孔多級(jí)起爆成本的同時(shí),也為現(xiàn)場(chǎng)施工提供更加安全、可靠的技術(shù)保障。

1 技術(shù)原理及特點(diǎn)

1.1 技術(shù)原理

圖1為聲波無線控制起爆技術(shù)管柱示意圖。基于聲波無線傳輸原理,地面編碼控制裝置控制聲波發(fā)生裝置發(fā)出多組特定編碼的聲波信號(hào),這種特定的聲波編碼信號(hào)沿油管柱向下傳輸;多級(jí)井下接收裝置檢測(cè)接收到信號(hào)后,進(jìn)行濾波、解調(diào)等處理;當(dāng)接收的信號(hào)與各自預(yù)設(shè)的信息吻合后,發(fā)出點(diǎn)火指令,控制電源向雷管放電,擊發(fā)電雷管,進(jìn)而起爆各級(jí)射孔槍串。

圖1 聲波無線控制起爆技術(shù)管柱示意圖

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

地面控制裝置工作環(huán)境溫度為-40～40 ℃;聲波發(fā)生裝置工作電壓為220～3 000 V,適用于73 mm和89 mm油管。

井下接收裝置耐溫125 ℃、耐壓70 MPa,可連續(xù)工作24 h。聲波無線傳輸距離遠(yuǎn),達(dá)到2 000 m(不加中繼器),可以實(shí)現(xiàn)井下多級(jí)起爆控制。僅電雷管為一次性消耗品,起爆成本較低,可滿足射孔-測(cè)試聯(lián)作等特殊工藝起爆需求。

2 配套裝置和工具

2.1 聲波發(fā)生裝置

聲波發(fā)生裝置主要由主機(jī)信號(hào)輸入單元、半圓形聲波發(fā)生器、發(fā)生器外殼等組成。基于換能器發(fā)聲原理,對(duì)壓電陶瓷換能器的陶瓷片施加一個(gè)交變電場(chǎng),陶瓷片時(shí)而變厚時(shí)而變薄,同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng),發(fā)射高頻聲波,聲波頻率9 000～13 000 Hz。該聲波信號(hào)為1組5個(gè)聲波信號(hào),每個(gè)聲波信號(hào)利用預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔開(見圖2)。1組特定編碼的聲波信號(hào)以非線性聲波方式經(jīng)過油管柱向下傳輸。

圖2 特定編碼聲波信號(hào)實(shí)例

2.2 編碼控制裝置

編碼控制裝置通過設(shè)置特定的編碼程序,向聲波發(fā)生裝置供電,控制聲波發(fā)生裝置發(fā)出特定編碼形式的聲波。編碼控制的原理是把聲波信號(hào)確定為通信系統(tǒng)所用的“字符”,然后利用摩爾斯編碼原理對(duì)該“字符”進(jìn)行編碼,組成2個(gè)不同信號(hào)持續(xù)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)化序列,即點(diǎn)和破折號(hào)或點(diǎn)和點(diǎn)。利用該編碼原理可實(shí)現(xiàn)多種組合編碼并可對(duì)井下多級(jí)起爆進(jìn)行控制編碼。

此外,編碼控制裝置還具有自動(dòng)調(diào)頻功能。自動(dòng)調(diào)頻指的是檢測(cè)所接收的輸入信號(hào)的頻率,根據(jù)既定的規(guī)格來確定或更改頻率。它的工作原理是在系統(tǒng)開始工作的前期短時(shí)間內(nèi),地面控制系統(tǒng)給聲波發(fā)生裝置發(fā)出工作指令,聲波發(fā)生裝置收到指令后將電能轉(zhuǎn)換為多組不同頻率聲波動(dòng)能,該聲波動(dòng)能以聲波形式沿油管向井下傳輸。不同頻率的聲波在傳輸時(shí)井下會(huì)產(chǎn)生共振,聲波發(fā)生裝置的傳感器會(huì)檢測(cè)到共振強(qiáng)度最高的頻率,并反饋給地面控制系統(tǒng)。地面控制系統(tǒng)隨即把該頻率確定下來作為優(yōu)化的發(fā)射頻率,指示井口傳感器利用該頻率進(jìn)行信號(hào)發(fā)射和傳輸。

2.3 井下接收裝置

井下接收裝置由接收器、電池組、控制電路和信號(hào)輸出端口等組成(見圖3)。上部有圓形聲波接收器,接收器中包括1個(gè)電容器(即電容式麥克風(fēng)),其振膜很薄,可以響應(yīng)寬頻率范圍聲波。振動(dòng)膜和緊密間隔的背板之間的電場(chǎng)變化將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流,可以將其放大并轉(zhuǎn)為輸出電信號(hào)。井下接收裝置的接收和解碼原理與摩爾斯編碼的“接收和解析”功能設(shè)置一致,能夠準(zhǔn)確識(shí)別和判斷編碼組合所代表的指令。利用該方法可以實(shí)現(xiàn)多組信號(hào)的獨(dú)特組合和安全識(shí)別,進(jìn)行安全的多級(jí)起爆。

圖3 井下接收裝置電路示意圖

此外,井下接收裝置增加了2種安全功能設(shè)計(jì)。①設(shè)計(jì)了發(fā)火電路控制開關(guān)功能,當(dāng)井下接收裝置接收的信號(hào)與預(yù)設(shè)信號(hào)匹配后,接收裝置向繼電器開關(guān)發(fā)送1個(gè)電信號(hào),控制繼電器開關(guān)的通斷;利用繼電器實(shí)現(xiàn)電源與雷管間的電路導(dǎo)通控制,提高施工安全性。②增加了接收裝置延時(shí)喚醒功能,裝置的工作啟動(dòng)時(shí)間可調(diào)范圍為0～300 min。由此,在地面連接以及一定深度管柱下入過程中,接收裝置始終處于休眠狀態(tài),既節(jié)約電池電量,也可降低下管過程中的起爆風(fēng)險(xiǎn)。

3 模擬試驗(yàn)

3.1 油管傳輸試驗(yàn)

將聲波接收裝置連接在油管下端。地面模擬發(fā)射和接收試驗(yàn);工具下井,下入5根油管,起出并回放數(shù)據(jù);再分別下入油井中100、150、300、500、800、1 000、1 200 m和1 500 m層段處,起出下井工具并回放數(shù)據(jù),檢驗(yàn)油管柱中聲波的傳輸性能(見圖4、圖5)。

圖4 1 000 m測(cè)點(diǎn)信號(hào)

圖5 1 500 m測(cè)點(diǎn)信號(hào)

通過數(shù)據(jù)回放,各測(cè)量點(diǎn)未發(fā)生信號(hào)數(shù)據(jù)丟失情況,信號(hào)接收比較穩(wěn)定。聲波衰減幅度很小,每100 m衰減10 dB,地面系統(tǒng)增壓至2 kV后,聲波信號(hào)可沿油管柱可靠傳輸2 000 m。

3.2 編碼控制傳輸試驗(yàn)

編碼控制裝置設(shè)定3種特定編碼信號(hào)開關(guān)(3個(gè)不同顏色的開關(guān)),控制聲波發(fā)生裝置發(fā)出不同的聲波信號(hào)。信號(hào)沿管柱和槍身向下傳輸至接收裝置,檢查發(fā)光盒的三色燈是否正常點(diǎn)亮。試驗(yàn)管柱從上到下包括聲波發(fā)生裝置、3根油管、2根槍管、接收裝置、繼電器、電源、發(fā)光盒。試驗(yàn)中,3種特定聲波信號(hào)發(fā)出后,發(fā)光盒對(duì)應(yīng)顏色的LED燈正常閃亮,表明信號(hào)輸出正常,分級(jí)控制功能可靠。

3.3 聲波控制發(fā)火試驗(yàn)

編碼控制裝置的紅色編碼信號(hào)開關(guān)控制聲波發(fā)生裝置發(fā)出特定的聲波信號(hào),信號(hào)沿3根油管向下傳輸至接收裝置,當(dāng)與接收裝置預(yù)設(shè)信號(hào)吻合后并點(diǎn)亮紅色的LED燈,同時(shí)繼續(xù)輸出電流起爆雷管。試驗(yàn)管柱從上到下包括聲波發(fā)生裝置、3根油管、2個(gè)接收裝置、繼電器、發(fā)光盒、電源、雷管。通過試驗(yàn),發(fā)出控制信號(hào)后,雷管正常起爆,表明聲波控制雷管起爆方案可行。

4 結(jié) 論

(1)通過不同深度聲波傳輸試驗(yàn)的信號(hào)分析,聲波信號(hào)接收比較穩(wěn)定。按目前設(shè)計(jì)的聲波頻率及能量,可實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)沿油管柱可靠傳輸2 000 m。

(2)結(jié)合油管傳輸試驗(yàn)和聲波控制發(fā)火試驗(yàn)結(jié)論,初步驗(yàn)證了多級(jí)可控聲波起爆技術(shù)的可行性。下一步,還需對(duì)井下接收裝置的抗震性進(jìn)行完善,并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),進(jìn)一步完善該工藝。