桥塞工具用电点火具研究.pdf

为了提高桥塞工具用电点火具的点火安全性和可靠性，对现役国产电点火具结构进行了改进设计，将电点火具的承压导电组件设计为独脚式插针一体化集成结构，换能元件设计为2 个2 5Q电阻与35um6J20镍铬合金桥丝串联的点火帽结构，输出装药为2.5g的FSY-1点火药；测试了电点火具的发火感度、耐压性能、耐温性能以及输出点火能力，并通过下井试验对电点火具的点火安全性和可靠性进行了验证。结果表明：电点火具在0.8 A发火电流条件下，能够可靠发火，点燃桥塞火药，并能够满足耐温17 0 C/2h及耐压10 0 MPa的技术指标。关键词：电点火具；桥塞工具；点火安全性；可靠性中图分类号：TJ45+4ZHANG Hu,WANG Xi,WEI Ling,CHANG Xin,WANG Xue-yan,XU FangAbstract:In order to improve the ignition safety and reliability of electric ignitor for bridge plug tools,the structure ofdomestic electric ignitors in service has been improved and designed.The pressure-bearing conductive component of the electricignitor was designed as a single pin integrated structure.The energy conversion element was designed as an ignition cap structurewith two 25 Q resistors connected in series with a 35 m 6J20 nickel chromium alloy bridge wire.The output charge is 2.5gFSY-1 ignition powder.The ignition sensitivity,pressure resistance,temperature resistance and output ignition ability of theelectric ignitor were tested,and the ignition safety and reliability of the electric ignitor were verified through well testing.Theresults show that the electric ignitors can ignite reliably and ignite the bridge plug powder under the firing current ofo.8 A,and canmeet the technical indicators of temperature resistance of 170C/2h and pressure resistance of 100 MPa.Key words:Electric ignitor;Bridge plug tool;Ignition safety;Reliability文献标识码：AD0I:10.3969/j.issn.1003-1480.2023.04.007Study on Electric Ignitor Used in Bridge Plug Tools(Wuhua Energy Technology Co.Ltd.,Xian,710061)页岩气开采技术受到世界各国的高度重视，围绕页岩气开发的需要，形成了页岩气在勘探评价、钻井技术、泵送桥塞分簇射孔、压裂增产等方面的新技术。其中，泵送桥塞分簇射孔技术以其施工速度快、磁性定位准确等优势在直井、水平井以及薄夹层、高温层的封层中得到广泛应用2 。桥塞工具作为页岩气分段压裂改造的主体工具，在北美超过8 5%的页岩气井中使用，而国内页岩气井则全部采用桥塞工具进行压裂施工改造。目前，国内页岩气分簇射孔中主要使收稿日期：2 0 2 3-0 1-14作者简介：张虎（197 8-），男，高级工程师，从事石油射孔器材技术研究。用贝克（Baker）桥塞工具，配套的发火装置为电点火具。其作用原理为：由外部电源激发电点火具，使点火具装药在规定的点火响应时间内被点燃，产生高温燃气及炽热残渣，经过尾部通道准确可靠地点燃桥塞火药，桥塞火药燃烧产生高压气体使桥塞坐封。电点火具作为桥塞工具动力源的发火装置，需要在高温高压及油气井施工现场复杂环境中使用，其耐温性能、耐压性能及抗杂散电流干扰能力需满足使用要求。前期桥塞工具用电点火具主要依靠进口，价格昂2023 年0 8 月贵，采购周期长，并且需要使用专用数字点火仪引燃。而目前使用的国产电点火具的电阻为0.5 3.52，不符合API标准中“电阻值大于50 Q”的要求3，存在一定的安全隐患。因此，为了提高桥塞工具用电点火具的安全性和发火可靠性，本文对现役国产电点火具承压导电组件、换能元件及输出装药进行了改进设计，以提高其承压性能和抗杂散电流干扰能力，对电点火具的发火感度、耐压性能、耐温性能以及输出点火能力进行了试验测试，并通过下井试验对电点火具的点火安全性和可靠性进行了验证。1结构设计1.1总体结构电点火具结构主要包括承压导电组件、换能元件和装药3部分，如图1所示。其中，承压导电组件的作用是接收外部电能以及保证电点火具与桥塞工具之间的密封。换能元件的作用是将输人的电能通过桥丝转化为热能，引发后续装药4-5。电点火具装药为FSY-1点火药，药量为2.5g。一承压导电组件换能元件图1电点火具结构示意图Fig.1 Structural diagram of electric ignitor1.2承压导电组件考虑到电点火具的承压和耐温性能要求，将承压导电组件设计为由导电芯杆、绝缘材料和底座组成的独脚式插针一体化集成结构，如图2 所示。一导电芯杆绝缘材料一底座图2 电点火具承压组件Fig.2Pressure-bearing component of electric ignitor火工品其中，导电芯杆和底座通过触点式独脚结构连接，并通过底座端面密封结构实现电点火具与桥塞工具点火接头之间的密封。底座材料为不锈钢12 Cr18Ni9，导电芯杆材料为铜，绝缘材料为耐高温PEEK材质，通过注塑一次成型。1.3换能元件在杂散电流环境中，如果电点火具的一根脚线接地，杂散电流就会从一根脚线经过桥丝到另一根脚线而流入大地。电流通过桥丝时会引起桥丝发热，当热量达到某一数值时，就会点燃后续装药而造成意外点火。因此，将换能元件设计为电阻加桥丝式串联点火帽结构，即将2 个2 5Q的电阻串联包覆在电极塞中，用以增大桥路中的电阻值，减小杂散电流的影响，进而减小桥丝产生的热量，提高电点火具的安全性。桥丝采用直径为35m的6 J20镍铬合金丝，换能元件中的药剂由10 0 mg叠氮化铅起爆药和50 mgFSY-1点火药组成，如图3所示。电阻装药图3换能元件Fig.3Energy exchange element2性能试验2.1发发火感度升降法是一种估计临界值的感度试验数理统计方法，适用于已知感度分布为正态或logistic类型时估计总体参数和特定响应点的感度试验，在火工品和火炸药界应用广泛，特别适合用于求50%发火点x50，同时也可对标准差和发火上下限做出估计。升降法估计量公式为一种近似的最大似然估计：A1du=Xo+(n2)=1.620（M +0.0 2 9 )dM=(nB-A?)n235桥丝叠氮化铅FSY-1点火药(1)（2)(3)36式（1）（5）中：为50%发火刺激量；xo为初始发火刺激量；为标准偏差；d为步长；k为升降步台阶总数；M，A，B，n 为过程参数；mi为不发火数；ni为名义发火数；当n=n,时，式（1）取负号，当n=Zm,时，式（1）取正号。在xo=500mA，d=50 m A 时进行升降法试验，试验样本数量为30。按照GJB/Z377A-946中的计算公式计算可得：u=511mA，0-6 1，0.1%的发火感度值为36 8 mA，9 9.9%的发火感度值为6 57 mA。发火上下限区间值分布满足技术要求：电点火具在输人发火电流8 0 0 mA条件下能够可靠起爆，表明换能元件设计合理。2.2耐压性能在桥塞工具作用过程中，只有当桥塞火药燃烧产生气体的最大压力值大于桥塞预设的释放环的拉断力时，才能实现桥塞自动丢手。5-1/2”桥塞的拉断力一般在6 0 MPa左右，考虑到试验的系统偏差以及桥塞坐封的可靠性，将电点火具耐压指标设计为10 0MPa。在密闭爆发器中建立电点火具-桥塞工具系统做功过程模拟测试装置7 ，如图4所示，通过桥塞火药在密闭空间燃烧产生的气体压力测试电点火具的耐压性能。电点火具一般情况下，密闭爆发器的容积应与桥塞工具坐封时的最大容积相同，为150 0 mL。为了测试电点火具在高温高压条件下的耐压性能，在设计密闭爆发器时将其容积减小至12 0 0 mL，以提高密闭爆发器内部压力。桥塞火药为贝克桥塞火药，装药量为50 0 g。采用Pt仪测试电点火具的承压性能，共进行5组试验，试验结果如表1所示。由表1可知，电点火具的最大耐压值为116.9MPa，最小耐压值为110.9MPa，均大于耐压指标设计值（10 0 MPa）。并且，从电点火具点火到桥塞火药张虎等：桥塞工具用电点火具研究A=Z.in,(4)B=Z.in(5)桥塞火药传感器排气管图4模拟测试装置Fig.4Simulation test device2023 年第 4 期燃烧产生峰值压力时间均大于50 s，而桥塞工具中火药燃烧时间一般在30 40 s之间，因此，电点火具耐压性能与桥塞工具耐压设计指标相匹配，不会因为电点火具的耐压能力低而使桥塞工具提前泄压导致桥塞坐封失败。表1电点火具耐压试验结果Tab.1Pressure test results of electric ignitor试样压力/MPa1110.92112.13112.74116.95114.32.3耐温性能电点火具耐温性能指标要求为耐温17 0 C/2h。采用烘箱测试电点火具在17 0 C/2h、17 0 C/3h、18 0/2 h条件下的耐温性能，通过裕度试验保证点火具在高温环境下使用的可靠性。试验结果如表2 所示。表2 电点火具耐温性能试验结果Tab.2 Temperature resistance test results of electric ignitor温度时间/h数量/发结果由表2 可知，电点火具在17 0 C/2h、17 0 C/3h、180/2h条件下均能够满足耐温要求，耐温试验后的电点火具全部正常发火。2.4输出点火能力将电点火具与点火药柱之间的距离分别设置为80，90，10 0，12 0，130 m m，测试不同点火距离下电点火具的输出点火能力，并对在常温和17 0 C/2h耐温试验后电点火具的输出点火能力进行对比，结果如表3 所示。表3电点火具点火能力试验结果Tab.3 Ignition ability test results of electric ignitor距离/mm常温数量/发高温数量/发试验结果由表3可见，当点火距离由8 0 mm增大至130mm，电点火具仍能够点燃点火药柱，而贝壳桥塞工具设计的点火距离一般小于10 0 mm，由此可以判断电点火具的输出能够可靠点燃桥塞火药，至少有2 0%的裕度值。并且常温和17 0 C/2h耐温试验后电点火具的输出点火能力基本相同，表明17 0 C/2h对电点火具的输出性能没有显著影响。峰值时间/s5365625869170170231010合格合格80903523点燃点燃180210合格100120101055点燃点燃点燃130532023年0 8 月3 下井试验火工品由表4可知，在5种井深的油气井中，电点火具全部成功点燃桥塞火药，未发生点火失效现象。373.1电点火具井下发火性能试验为测试电点火具井下发火性能，将电点火具与油气井分级射孔选发模块配套使用，电点火具采用直流发火，发火电流为8 0 0 mA，通过测试回路中的电阻计算出发火电压值，然后在仪器控制面板中输人发火电压值，再通过选发模块进行选发点火。发火性能试验共计50 发，试验结果表明发火电流为8 0 0 mA时50发电点火具全部可靠发火，试验后部分电点火具照片如图5 所示。图5发火性能试验后部分电点火具照片Fig.5 Photos of some electric igniters after ignitionperformancetest3.2桥塞火药下井点火试验油气井施工现场环境复杂，设备运行过程中可能存在杂散电流，并且随着下井深度越深，环境温度越高。为验证电点火具下井点火安全性及可靠性，采用贝克桥塞工具以及配套的桥塞火药，在12 6 5 2 8 2 0m井深下，进行电点火具下井点火试验。试验现场如图6 所示，试验结果如表4所示。图6 电点火具下井试验Fig.6Oil and gas well test of electric ignitor表4下井点火试验结果Tab.4Results of downhole ignition test序号井号1南2 12 平22南2 12 平33坪194平14坪194 平 25坪194 平24结论（1）设计电点火具承压导电组件为独脚式插针一体化集成结构，试验表明其承压能力大于10 0 MPa，并且从电点火具点火到桥塞火药燃烧产生峰值压力时间大于50 s，满足产品设计指标要求。（2）设计电点火具换能元件为2 个2 5Q的电阻与35m的6 J20镍铬合金桥丝串联的点火帽结构，试验表明电点火具在8 0 0 mA的发火电流下能够可靠点火。（3）电点火具输出装药为2.5g的FSY-1点火药，点火距离在8 0 130 mm时，电点火具均能可靠点燃桥塞火药。并且常温和17 0 C/2h耐温试验后电点火具的输出点火能力基本相同，满足耐温指标要求。（4）50 发电点火具在下井试验中全部可靠发火；在12 6 5 2 8 2 0 m5种井深油气井中，电点火具全部成功点燃桥塞火药。参考文献：1 童董超群，李华川，贺殷凯，等基于专利信息的我国页岩气开采及发展趋势研究.非常规油气,2 0 18,5(2):98-10 3.2 李雪莉。页岩气资源开采存在的问题与前景探讨.江汉石油职工大学学报,2 0 2 1,34(6):97-99.3 API RP 67 Oilfield Explosives SafetyS.Washington D.C:American Petroleum Institute,2019.4蔡瑞娇.火工品设计原理M.北京：北京理工大学出版社,1999.5 陈伟，陈瑶多强度点火具的设计及试验研究.军械工程学院学报,2 0 16,2 8(3):35-37.6GJB/Z377A-94感度试验用数理统计方法S.北京：国防井深/m结果1372点火成功1 265点火成功2.820点火成功2320点火成功2.560点火成功科工委军标出版社，1994.7顾亚铨，张兆均，萨白密闭爆发器测试技术在我国的进展和展望.火炸药学报,197 8(2):11-14.