可显示启动信号的压力激发式起爆装置.pdf

本发明公开了一种可显示启动信号的压力激发式起爆装置，适用于油气井压力激发式射孔工艺。该装置在已有压力起爆器的基础上，增加了含有泄压阀、泄压腔的压力泄放组件。当本发明所受到的井下液柱压力和井口外加压力之和大于其承压销钉的额定强度时，承压销钉被剪断，泄压阀打开并使油管中的液体流入泄压腔，从而导致地面井口压力表的表针大幅回摆，以显示压力起爆装置的激发启动信号。本发明很好地解决了油井加压起爆施工中及时停止加压和可靠起爆的问题，不仅杜绝了因加压不恰当带来的设备损坏或施工返工等现象，而且还能确定压力激发式射孔的起爆压力和起爆时间，为油气井压力激发式射孔技术研究以及开拓新的应用领域奠定了基础。

1.  一种可显示启动信号的压力激发式起爆装置，包括压力起爆器[2]，其特征在于：还包括压力泄放组件[1]，所述的压力泄放组件[2]含有泄压腔[3]、缓冲沉砂筒[4]、泄压阀、缓冲防砂筒[5]、若干密封圈[10、11、12]，所述泄压腔[3]为筒状体且简体两头均带有密封面；所述泄压阀含有泄压阀本体[8]、活塞[6]、活塞套筒[7]、第一承压销钉[9]，泄压阀本体[8]为筒状体，其内外壁上均设有密封槽，活塞[6]和活塞套筒[7]上均设有相互对应的销钉孔，所述第一销钉[9]的剪切值等于射孔作业层的液柱压力与地面井口的外加压力之和，活塞[6]通过所述第一承压销钉[9]固连在活塞筒[7]内并通过第一密封圈[11]，活塞套筒[7]位于泄压阀本体[8]内且两者之间通过第二密封圈[12]密封，所述缓冲沉砂筒[4]和所述缓冲防砂筒[5]分别固连在所述泄压阀本体[8]的两端；所述泄压腔[3]的两端分别与所述泄压阀本体[8]、所述压力起爆器[2]的本体固连，且两个连接端口分别通过第三、第四密封圈[10、22]密封；在所述压力起爆器[2]中，连接起爆器活塞[6]和起爆器活塞套筒[7]的第二承压销钉[9]的剪切值小于或等于射孔作业层的液柱压力。

2.  根据权利要求1所述的压力激发式起爆装置，其特征在于：所述第一承压销钉[9]为一组，其组内第一承压销钉[9]可以是直径和承压指标完全一样的多个销钉，并根据射孔目的层的深度来选择所用第一承压销钉[9]的数量；也可以是直径和承压指标完全不同的多个销钉，并根据射孔目的层的深度来选择某一个第一承压销钉[9]；所述活塞[6]和活塞套筒[7]上的销钉孔也为一组，销钉孔的直径取决于本发明所配置的第一承压销钉[9]的规格。

3.  根据权利要求1或2所述的压力激发式起爆装置，其特征在于：所述的泄压腔[3]采用优质40CrCo钢材制作，其与所述泄压阀本体[8]以及所述压力起爆器[2]的本体连接后的耐压指标大于120MPa；所述的若干密封圈[10、11、12、22]均采用氟橡胶材料制作并耐温250℃；所述的第一承压销钉[9]采用20Cr钢制作。

可显示启动信号的压力激发式起爆装置
技术领域
本发明属于石油、天然气的开采作业领域，主要涉及油管传输加压起爆射孔作业使用的压力起爆装置。
技术背景
油气井射孔用的压力起爆器，其击发能量来自于液流体所产生的压力。这种液流体压力由两部分构成：一是井下液体本身受到的地球引力；二是人为地由井口施加的气体压力或液体压力。压力起爆器的作用原理是：起爆器随射孔管串通过油管下入到目的层，压力起爆器首先经受到井筒内液体压力的作用，并保持安全状态(不发火)；经过校深调整管串后，从地面井口处开始向井内加压，通过液流体将施加的压力传递到起爆器的承压销钉上，当井内的液体压力与井口外加压力之和大于其承压销钉的剪切阈值时，承压销钉被剪断，使击针运动并撞击爆炸组件发火，完成起爆功能。一般将剪断承压销钉的启动信号作为压力起爆的发火信号。承压销钉的剪断压力为压力激发式射孔的起爆压力，承压销钉剪断瞬间的时间为压力激发式射孔的起爆时间。
在地面加压起爆施工中，要求压力起爆器的承压销钉被剪断时，立即停止加压(即关闭加压泵)，以保证井口设备的安全，最大限度的实现负压射孔。因此，从地面井口判断压力起爆器中的承压销钉是否被剪断也就成为施工操作中的一个重要环节。理论上讲，利用地面井口安装的压力表可以判断承压销钉的状态，因为在加压过程中，井内的压力呈上升趋势，这种压力变化被放置在套管或油管内的压力探头所感知，并通过井口压力表头的表针来指示。当承压销钉被剪断后，承压活塞向下运动，套管或油管内的压力就会下降，这时压力探头会将这种压力下降的变化传递到压力表头，压力表头的表针就会产生回摆，通过观察表针的回摆来判断压力起爆器的承压销钉是否被剪断。但在实际作业中，由于地面井口加压泵的大压力跳动和强噪音干扰，且压力起爆器的活塞直径和运动行程过小，导致压力传感器传递的压力降峰值太小，压力表的表针无回摆或回摆难以观察，因而在绝大多数施工中根本得不到压力传感器的压力降数据，操作人员也看不见压力表的表针变化。
以往，为了保证起爆器可靠发火，只能凭操作人员的经验，一般规定井口加压值等于承压销钉理论剪切值加上一个可靠剪断系数，当压力表达到规定值时，就关闭加压泵车。可这样的做法又会导致两种现象：一种现象是还未加压到规定值时，压力起爆器就已经发火，地面井口操作人员也未听到射孔枪的爆炸声，继续加压到规定值时才停止加压，导致一些设备的损坏；第二种现象是加压到规定值后关闭了加压泵车，而压力起爆器的承压销钉确没有剪断，操作人员进行后续作业后再返工，造成经济和时间上的浪费。
另外，如果得不到起爆器的发火信号，就无法确定起始点，也就不能准确判定压力起爆过程的起爆压力和起爆时间。而起爆时间是压力激发式射孔管串中延期装置点火延期时间的起始点；起爆压力是评价射孔安全性和起爆可靠性的重要参数。如果没有这些准确的起爆压力和起爆时间，那么射孔新技术的推广，以及质量事故分析会存在许多困难。正是这些问题，影响了压力起爆器的使用效果，也制约了很多新技术的发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对加压起爆施工过程中，在地面井口很难准确判断压力起爆器承压销钉是否被剪断的问题，提供一种可显示启动信号的压力激发式起爆装置，具体地说，该装置可以放大承压销钉被剪断时的压力降峰值，使得压力表的表针产生大幅度回摆，而且可以通过地面井口压力表明显反映出其承压销钉被剪断的时刻点。
为解决上述技术问题，本发明给出的可显示启动信号的压力激发式起爆装置包括压力泄放组件、压力起爆器；所述的压力泄放组件含有泄压腔、缓冲沉砂筒、泄压阀、缓冲防砂筒、若干密封圈，所述泄压腔为筒状体且筒体两头均带有密封面；所述泄压阀含有泄压阀本体、活塞、活塞套筒、第一承压销钉，泄压阀本体为筒状体，其内外壁上均设有密封槽，活塞和活塞套筒上均设有相互对应的销钉孔，所述第一销钉的剪切值等于射孔作业层的液柱压力与地面井口的外加压力之和，活塞通过所述第一承压销钉固连在活塞筒内且通过第一密封圈密封，活塞套筒位于泄压阀本体内且两者之间通过第二密封圈密封，所述缓冲沉砂筒和所述缓冲防砂筒分别固连在所述泄压阀本体的两端；所述泄压腔的两端分别与所述泄压阀本体、所述压力起爆器的本体固连，且两个连接端口分别通过第三、第四密封圈密封；在所述压力起爆器中，连接起爆器活塞和起爆器活塞套筒的第二承压销钉的剪切值小于或等于射孔作业层的液柱压力。
根据本发明，所述第一承压销钉为一组，其组内第一承压销钉可以是直径和承压指标完全一样的多个销钉，并根据射孔目的层的深度来选择所用第一承压销钉的数量，也可以是直径和承压指标完全不同的多个销钉，并根据射孔目的层的深度来选择某一个第一承压销钉；所述活塞和活塞套筒上的销钉孔也为一组，销钉孔的直径取决于本发明所配置的第一承压销钉的规格。
根据本发明，所述的泄压腔采用优质40CrCo钢材制作，其与泄压阀本体以及压力起爆器本体连接后的耐压指标大于120MPa；所述的若干密封圈均采用氟橡胶材料制作并耐温250℃；所述的第一承压销钉采用20Cr钢制作。
本发明是由已有技术中的压力起爆器和一个含有泄压阀和泄压腔的压力泄放组件构成，由于泄压阀中第一承压销钉的剪切值是根据射孔作业层的液柱压力和地面井口的外加压力来确定的，因此，当本发明随射孔管串下到射孔作业层后，并通过地面井口的施压使油管内的压力达到第一承压销钉的剪切值时，第一承压销钉被剪断，导致活塞被释放。当活塞运动到缓冲沉砂筒后，油管中的液体也通过缓冲沉砂筒的缓冲孔流进泄压腔，使油管中连续升高的压力中断，同时又因泄压腔的空间是一定的，液体通过缓冲沉砂筒的缓冲孔流满泄压腔时间是3-12秒，因而导致油管中的压力迅速下降并持续大约3-12秒时间，在此期间地面井口压力表的表针就会出现大幅回摆且几乎归零，这样，地面井口处的操作人员就很容易判断出第一承压销钉被剪断，并立即关闭加压泵车。与此同时，流入到泄压腔中的液体又通过压力起爆器的缓冲防砂筒作用到起爆器活塞上，由于压力起爆器中的第二承压销钉的剪切值小于或等于射孔作业层的液柱压力，因此，到当液体注满泄压腔时，就会立即剪断第二承压销钉，起爆器活塞被释放并在井内液柱压力作用下带动击针撞击爆炸组件发火并引爆射孔枪，由此完成射孔作业。
由于本发明从第一承压销钉剪断、液体充满泄压腔到起爆装置发火的时间很短，因此第一承压销钉剪断时的启动信号就是压力起爆装置的发火信号，压力表的表针产生大幅回摆前的最大表压就是该起爆装置的起爆压力；压力表的表针产生大幅回摆瞬间的时间加上液体充满泄压腔的时间是该起爆装置的精确起爆时间，但由于液体充满泄压腔的时间很短，在压力激发式射孔工艺时间精度范围内，所以压力表的表针产生大幅回摆瞬间的时间就是该起爆装置的起爆时间。不难看出，本发明很好地解决了油井加压起爆施工中及时停止加压和可靠起爆的技术问题，不仅杜绝了因加压不恰当带来的设备损坏或施工返工等现象，而且也为压力起爆器开拓新的应用领域奠定了基础。
附图说明
图1是本发明可显示启动信号的压力激发式起爆装置总体构成示意图。
图2是图1中所示的压力泄放组件的构成示意图。
图3是图1中所示泄压腔的零件图。
图4是采用分体活塞和活塞套筒的泄压阀结构示意图。
图5是图4中所示的泄压阀本体结构示意图。
图6是图1中所示的压力起爆器的构成示意图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
正如图1所示，本发明优选实施例包括压力泄放组件1和压力起爆器2两部分。根据图2所示，压力泄放组件1由泄压腔3、缓冲沉砂筒4、泄压阀、缓冲防砂筒5、密封圈10、11、12构成。泄压腔3(参见图3)选用优质40CrMnMo钢制作，其两端设有内螺纹和密封面。缓冲防砂筒5为一端带底一端敞口的筒体，选用45号钢制作，其筒底附近设有三排且每排十二个缓冲孔，筒口处设有外螺纹，其作用是将油管内的铁锈、砂石等赃物给过滤掉，减少下井过程中因受到下放速度、井口加水和遇阻等因素影响导致油管内的瞬间压力增大，提前剪断第一承压销钉，造成误射孔的事故发生。缓冲沉砂筒4也为一端带底一端敞口的筒体，选用45号钢制作，其筒口设有外螺纹，而且紧邻外螺纹的筒壁上还设有三排且每排十二个缓冲孔，其主要作用是再次过滤进入泄压腔3的液体和减缓液体压力对压力起爆器的冲击。缓冲沉砂筒4和缓冲防砂筒5中的缓冲孔直径均为φ3mm。泄压阀含有泄压阀本体8、活塞6、活塞套筒7、第一承压销钉9。活塞6和活塞套筒7的材料均为钢T8或T10，两者均设有相互对应的销钉孔且活塞6和活塞套筒7的外壁上均设有密封槽，活塞6通过第一承压销钉9固连在活塞套筒7内。根据装配的实际需要，活塞6可以是一体的也可以是分体的，如图4就示出了采用分体活塞的实例。根据图中所示，活塞6分为泄压活塞6-1和承压活塞6-2，活塞套筒7分为泄压活塞套筒7-1和承压活塞套筒7-2，密封槽设置在泄压活塞6-1和泄压活塞套筒7-1上，而销钉孔则设在承压活塞6-2和承压活塞套筒7-2上。为了满足不同目的层的射孔需要，本发明中所配备的第一承压销钉9为一组，而选用时可分为两种形式，一种是多销钉形式，另一种是单销钉形式。所谓多销钉形式是指，根据施工所需要的剪切值而选用两个或两个以上规格相同即直径、承压指标完全一样的销钉；而单销钉形式是指根据施工所需要的剪切值，在直径和承压指标均不相同的一组销钉(一般配十个)中选择一个满足要求的销钉。为此，活塞6和活塞套筒7上所设定的销钉孔的数量及其孔的直径应与所配备的第一承压销钉9的数量及规格相对应。如图2所示的活塞6和活塞套筒7上设置了三排(每排八个，共二十四个)相同的销钉孔，而图4所示的分体活塞结构中，承压活塞6-2和承压活塞套筒7-上则设置了10个不同直径的销钉孔，其中，五个销钉孔与图面平行，而另外五个销钉孔则与图面垂直。所配备的第一承压销钉9全部选用HPb-59黄铜料制作。所选第一承压销钉9的剪切值应等于射孔作业层的液柱压力与地面井口的外加压力之和。泄压阀本体8(参见图5)为不带底的筒状体并选用40CrMnMo优质钢材精加制作，其输入端8A和输出端8B均设有内螺纹和外螺纹，其中输入端8A的外螺纹为标准油管扣。泄压阀本体8的外壁上还设有密封槽，其筒内的中间结构应根据活塞6以及活塞套筒7的具体形式而定。密封圈10、11、12均选用耐温250℃的氟橡胶材料制作。活塞机构位于泄压阀本体8的中间部位，密封圈11套在活塞6-1或泄压活塞6-2的密封槽中，密封圈12套在活塞套筒7-1或泄压活塞套筒7-2的密封槽中。缓冲防砂筒5和缓冲沉砂筒4的外螺纹分别与泄压阀本体8输入端8A和输出端8B的内螺纹连接。密封圈10套在泄压阀本8的密封槽中，泄压阀本体8输出端8B的外螺纹与泄压腔3一端的内螺纹连接，泄压阀本体8输入端8A将与油管连接。
根据图6所示，压力起爆器由缓冲装置13、起爆器本体14、起爆器活塞15、起爆器活塞套筒16、第二承压销钉17、击针18、垫片19、发火件20、用氟橡胶材料制作的密封圈21、22、23、24构成。起爆器本体14选用40CrMnMo优质钢材精加制作。第二承压销钉17均采用HPb-59黄铜或20Cr钢材料制作，其剪切值应小于或等于射孔作业层的液柱压力，第二承压销钉17在出厂前已装配好，使用中不必拆卸更换。起爆器活塞15和击针18采用一体结构，并在油管内的压力作用下一起向下运动。起爆器活塞15和起爆器活塞套筒16的外径均有两个密封槽，其上分别装有密封圈23、24，起爆器活塞15和起爆器活塞套筒16通过两个第二承压销钉17固定后，按击针18朝向发火件20的方向装入起爆器本体14输入端的内孔中，将缓冲装置13拧入起爆器本体14，使起爆器活塞15和起爆器活塞套16不能向缓冲装置13方向运动。发火件20拧入起爆器本体14输出端的内孔中并通过密封圈21密封。密封圈22套在起爆器本体14上，起爆器本体14一端的外螺纹与泄压腔3另一端的内螺纹连接；另一端的外螺纹则与射孔枪相连接。泄压腔3分别与泄压阀本体9和起爆器本体14螺纹连接后的耐压指标大于120MPa。
本发明的工作原理和作用过程为：在压力起爆施工作业时，将本发明的压力泄放组件1和压力起爆器2分别与油管和射孔枪连接而组成射孔管串。当本发明随射孔管串下放到目的层后，需从井口向套管或油管内加压，与此同时，油管内的液体通过缓冲防砂筒5的缓冲孔进入本发明中并作用于泄压阀，当油管内压力大于泄压阀中第一承压销钉9的剪切值时，第一承压销钉9被剪断并解脱对活塞6的约束，活塞6在井筒压力的作用下向着缓冲沉砂筒4的方向运动直至掉入后者。此后，油管内的液体沿着活塞套筒7流入缓冲沉砂筒4中，又经其缓冲孔流入到泄压腔3中，使油管中连续升高的压力中断并开始下降，在油管内的压力下降过程中，地面井口压力表的表针就会出现大幅回摆且几乎归零，这样，地面井口处的操作人员就很容易判断出第一承压销钉9被剪断，并立即关闭加压泵车。另一方面，地面井口停止加压后，油管里的液体继续向泄压腔3泄放，流入到泄压腔3中的液体又通过压力起爆器2的缓冲防砂装置13作用到起爆器活塞上15，当泄压腔3被油管中的液体充满时，会立即剪断压力起爆器2中的第二承压销钉17并释放起爆器活塞15，起爆器活塞15在油管的液柱压力作用下带动击针18向下运动，撞击发火件20发火并引爆射孔枪。