新型水平井復合射孔槍研究

郭希明,蔣宏偉,黃玉康,郭慶豐,蔣記偉

(1.大慶油田有限責任公司試油試采分公司,黑龍江大慶163412;2.中國石油集團鉆井工程技術研究院,北京100195; 3.中國石油技術開發公司,北京100028;4.中國石油大學石油工程學院,北京102249) *

新型水平井復合射孔槍研究

郭希明1,蔣宏偉2,黃玉康3,郭慶豐2,蔣記偉4

(1.大慶油田有限責任公司試油試采分公司,黑龍江大慶163412;2.中國石油集團鉆井工程技術研究院,北京100195; 3.中國石油技術開發公司,北京100028;4.中國石油大學石油工程學院,北京102249)*

大慶油田水平井通常采用的是?139.7 mm套管,由于水平段起伏波動造成變形,使得套管內有效內徑變小,需要研制一種在102型與89型之間的、適合在?139.7 mm套管水平井內使用的新型水平井射孔槍。通過槍身材質優選、彈架結構設計、槍身連接結構設計和新型射孔彈開發,研制了新型95水平井射孔槍和新型深穿透射孔彈,平均穿深達到645 mm,比89型水平井射孔槍穿深提高29%,并且能夠實現在水平井射孔段內任意方向定向射孔;研制了新型95型水平井復合射孔槍,檢測了該槍的安全性能指標,優化出了最佳火藥裝藥量。在大慶油田現場試驗證明,新型95型水平井復合射孔槍完全滿足水平井復合射孔的需要。

水平井;射孔;射孔彈;復合射孔槍;裝藥量

目前,大慶油田水平井均采用的是?139.7 mm 套管,由于水平段起伏波動造成變形,使得套管內有效內徑變小,當使用102型水平井射孔槍射孔后,由于槍體變形和毛刺等原因,射孔后起槍遇卡風險較大;使用89型水平井射孔槍射孔,由于射孔槍內空間所限,造成所配套的射孔彈穿深不理想[1]。因此需要研制一種在102型與89型之間的、適合在?139.7 mm(英寸)套管水平井內使用的新型水平井射孔槍。通過借鑒國外經驗及國內器材情況,選定新型水平井射孔槍外徑與95型射孔槍外徑相同。

1 射孔槍材質優選

根據水平井井筒結構特點及目前89型水平井射孔槍的使用效果,通過對材質、外徑、內部彈架結構的綜合設計,確定了射孔槍材質的基本參數,如表1。

表1 射孔槍材質基本參數

根據射孔槍材質基本參數,確定新型射孔槍的基本參數,如表2。

表2 射孔槍的基本參數

根據Q/BQB232—2003《油氣井射孔槍用無縫鋼管》標準,壁厚差允許為壁厚的±10%,由于在槍管生產的過程中存在一定的壁厚差,為了保證最小壁厚不小于7.5 mm,選擇槍管壁厚為9 mm。根據壁厚參數最終確定彈架直徑為?54 mm。

2 配套射孔彈的研制

由于受到射孔槍槍身直徑的限制,射孔彈外形尺寸設計受到制約,同時考慮射孔彈在射孔槍內炸高及射孔彈間是否存在干擾等問題[2],在射孔彈參數設計過程中需要進行聚能裝藥殼體形狀、粉末藥型罩結構、粉末藥型罩配方選擇3方面研究,提高射孔槍穿深性能。

2.1 藥型罩結構設計

藥型罩是射孔彈的核心部分,也是影響射孔彈穿深性能的重要因素,其中藥型罩的幾何形狀又是影響藥型罩性能的主要因素之一。

常規深穿透型射孔彈型罩結構是等壁厚,為了提高穿深設計了變壁厚藥型罩,它的結構是頂部薄,底部厚,有利于增大射流的速度梯度,可以提高穿靶深度。通過對藥型罩壓制工裝的改進,在工藝控制上可以實現對變壁厚藥型罩工藝穩定性的控制。

試驗研究證明,同樣外錐角的變壁厚藥型罩比等壁厚罩的穿深性能提高10%左右。

2.2 裝藥殼體形狀設計

聚能裝藥的破甲深度與裝藥形狀,特別是與裝藥直徑、長度及藥量分布有關,隨著裝藥直徑和裝藥長度的增加,破甲深度也隨著增加。受槍身直徑的限制,射孔彈個體不能過大,所以裝藥直徑和長度要受到限制,這就要求藥柱爆轟過程中的能量盡可能被充分利用來壓垮藥型罩,并盡可能降低對套管的損壞。因此,裝藥結構設計的出發點是充分提高炸藥能量的有效利用率,使炸藥能量盡可能轉化到推動藥型罩的做功上,從而達到提高穿深的目的。

增大藥型罩頂部的裝藥量,即增加藥型罩頂部的爆轟能量,使射流頭部速度增大,從而提高侵徹深度。改變殼體直線邊長度,以調整下錐底部的裝藥量,使炸藥能量的分布更趨合理。不同的裝藥結構分別與等壁厚罩和變壁厚罩配合后對比的數據如表3。

表3 不同裝藥結構與等壁厚罩和變壁厚罩配合對比

通過數據對比、分析,確定首選方案:藥型罩采用變2°變壁厚結構,裝藥結構采用?40 mm開口,直線邊長度為Lf的雙錐形結構。

2.3 射孔彈配方選擇及地面試驗

根據國外射孔彈藥型罩配方的設計經驗,由于射孔彈殼體直線邊的加長,在P2++配方的基礎上,按一定比例加入鉭粉或鈷粉,增加藥型罩配方密度。

對SDP40RDX-1型射孔彈與DP41RDX-1型射孔彈分別進行了地面穿鋼靶試驗,分析地面打靶數據得到新型射孔彈穿透深度較原有的89彈提高23 mm。

3 彈架結構設計

3.1 鎖緊結構

水平井射孔具有2個特點。

1) 水平井射孔一次下井的槍串較長,射孔槍的柱數多。為了防止由于墩槍產生的彈架變形,水平井射孔槍對彈架在槍內固定的可靠性就有了更加高的要求。

2) 對于長井段射孔,單元射孔槍之間的傳爆可靠性要求非常高。

由此可以看出,水平井射孔對彈架的要求非常高。目前,彈架在射孔槍內的固定結構為斜頂絲結構,由于槍體和彈架的制造誤差,彈架在槍體內最大可以有4～5 mm的竄動,使得頓鉆、墩槍產生彈架變形的可能性大增,射孔彈移位、從彈架脫落、導爆鎖磨損等引起炸槍事故的危險性增大。為了消除這些不安全因素,對彈架在射孔槍上的定位和固定結構進行了全新的改進,采用彈架掛式鎖緊結構,如圖1所示。

圖1 彈架掛式鎖緊結構

該彈架結構適用于除內定向之外的所有結構,在射孔槍上端加工定位槽,兩端加工1 mm臺面;頭部的托盤制作彈簧定位銷且外徑比射孔槍內徑大2 mm。裝配時,將彈架按方向沿射孔槍上部裝入,彈架上的彈簧定位銷彈入射孔槍上部的定位槽內,實現盲孔定位。此時彈架掛在射孔槍上,將彈架尾部托盤上緊,拉緊彈架。

3.2 定向結構

常見的內定向射孔槍內定向結構為配重塊結構,即在彈架內部或外部裝配偏重的配重塊,以達到彈架定位的目的。95型內定向水平井射孔槍采用了彈架偏心與內配重(或外配重)相結合的結構;所謂彈架偏心就是彈架的縱向軸線與支撐彈架的軸承組軸線產生一個偏心量,彈架的偏心量得到保證是定向可靠穩定的基本前提。

為了保證偏心結構的實現,專門設計了95型內定向射孔槍偏心彈架專用軸承,如圖2所示。

圖2 偏心軸承結構

通過定向結構設計,實現了在水平段內任意方向的定向射孔,同時彈架配重塊采用密度較高的鎢塊,加大彈架中心向下的重力,保證了定向效果。

4 水平井復合射孔槍室內試驗

復合射孔工藝技術是一項集射孔與高能氣體壓裂于一體的高效完井技術,有較好的增產效果,主要通過水平井復合射孔槍實現。水平井復合射孔槍的研制基于水平井射孔槍技術思路、材料選擇和技術方案,與水平井射孔槍的不同之處是:為避免水平井復合射孔后,因脫落泄壓鋼墊在起下射孔管柱時形成堆積,造成水平段射孔管柱遇卡事故,水平井復合射孔槍采用射孔孔眼泄壓方式。

4.1 試驗目的及方案

對95-13DP40型水平井復合射孔槍單發單元進行地面動態測試,利用 p-t曲線及槍身脹形量綜合分析評估最佳火藥裝藥量與預期效果,初步優化出最佳火藥裝藥量。

采用復合射孔單發射孔單元實驗室動態測試裝置,模擬套管內徑?139.7 mm,射孔槍為95-13DP40型模擬槍體;試驗裝置主要由單發射孔單元槍體和模擬套管實驗裝置總成構成。為確保試驗條件的一致性,裝置采用完全密封、閉氣結構,如圖3所示。

圖3 試驗裝置結構

測試單發射孔單元的4種不同裝藥量下環空p-t曲線、槍身最大脹形量的試驗方案及火藥參數如表4～5。

表4 單發射孔單元試驗方案

表5 單發射孔單元火藥參數

4.2 測試結果

共進行4次試驗,測試結果如表6,95-13DP30型射孔單元環空p-t試驗曲線如圖4～7所示。

表6 單發射孔單元室內試驗測試結果

圖4 裝火藥量20 g時 p-t曲線

圖5 裝火藥量30 g時 p-t曲線

圖6 裝火藥量40 g時 p-t曲線

圖7 裝火藥量50 g時 p-t曲線

4.3 結果分析

1) 采用射孔孔眼泄壓方式,隨著火藥量的增加,環空峰值壓力和槍身脹形量有明顯的增大,而壓力衰減至30 MPa時的壓力作用時間變化不大;但隨著藥量的增大,有效壓力作用時間有縮短的趨勢。其主要原因是:當槍身泄壓孔泄流面積較小且不變時,裝藥量越大,槍內火藥的燃燒速度就越快,峰值壓力也會越高,由于槍內外壓差增大,引起環空壓力的陡升(即隨著藥量的增加,壓力上升時間變短),有效壓力作用時間相對也會縮短[3]。

2) 由圖4～5可知,峰值壓力分別為45 MPa和57 MPa,壓力平臺較為平緩,有效壓力作用時間相對較長,適合于地層破裂壓力較低的油井。槍身最大脹形量分別為3.75 mm和4.2 mm,能夠確保油井的安全施工作業。

3) 由圖6～7可知,峰值壓力分別為64 MPa和75 MPa,壓力陡升且衰減較快,適合于致密地層且破裂壓力高的油井。槍身最大脹形量為 4.65 mm和4.90 mm,能夠確保油井的安全施工作業。

4.4 射孔槍檢測

1) 裝配DP40RDX-1射孔彈的95型水平井射孔槍在大慶射孔彈檢中心進行地面混凝土靶檢測,檢測結果如表7。

表7 95型水平井射孔槍檢測結果

95型射孔槍裝配DP40RDX-1型射孔彈進行打靶檢測,槍身最大脹形量是3.9 mm,平均穿深達到645 mm,與89槍裝DP41RDX-1型射孔彈穿深500 mm相比提高29%,且滿足 GB/T 20489-2006標準規定的射孔槍槍身外徑脹大<5 mm的要求[4]。

2) 裝配SDP40RDX-1、單發裝藥量40 g的95型水平井復合射孔槍在大慶射孔彈檢中心進行地面混凝土靶檢測,檢測結果如表8。

表8 95型水平井復合射孔槍檢測結果

95型復合射孔槍裝配DP40RDX-1射孔彈在40 g/發×16=640 g/m的藥量下進行試驗,槍身最大脹形量是3.6 mm,完全滿足 GB/T 20489-2006標準規定的射孔槍槍身外徑脹大<5 mm的要求。

5 現場試驗

為了驗證和檢查水平井復合射孔槍射孔的安全性和效果,保證水平井復合射孔的工程質量和安全,在大慶油田的芳100-斜128、芳110-斜130、芳68-斜124井3口大斜度定向井中進行射孔試驗,現場試驗的基礎數據如表9。

表9 現場試驗基礎數據

射孔方式采用油管輸送射孔,環空加壓延時起爆,順利地完成了3口井射孔作業。本次施工的3口井,共用射孔槍23根,其中外徑變形最大的一根的變形量為3.2 mm,毛刺最高的一處為2.5 mm,均滿足標準要求。表10為3口井的現場試驗數據,可以看出,射孔滾珠槍尾、接頭絲扣完好,全部射孔槍沒有出現變形。經過現場驗收,射孔質量各項指標全部合格。

現場試驗說明,新型95型水平井復合射孔槍在裝藥量每發40 g的情況下能夠保證射孔槍的安全,滿足水平井復合射孔的需要。

表10 大斜度定向井復合射孔數據

6 結論

1) 通過槍身材質優選、槍身及彈架結構設計、槍身連接結構設計和新型射孔彈開發,研制了95型水平井射孔槍和新型深穿透射孔彈,通過API地面打靶檢測,平均穿深達到645 mm以上,比89型水平井射孔槍穿深提升29%,并且能夠實現在水平井射段內任意方向定向射孔。

2) 通過地面打靶試驗,驗證了新型95型水平井復合射孔槍的安全性能指標,優化出最佳火藥裝藥量。大慶油田現場試驗證明新型95型水平井復合射孔槍能夠滿足水平井復合射孔的需要。

[1] 付建華.磨溪氣田水平井射孔槍卡鉆解卡工藝技術[J].油氣井測試,2008,17(2):49-53.

[2] 曹麗娜,韓秀清,張永光,等.石油射孔槍彈間爆轟波干擾的仿真分析[J].石油機械,2010,38(6):1-3.

[3] 閆永宏,李百政.新型水平井射孔槍的研制與應用[J].石油機械,2004,32(增):62-66.

[4] 閆永宏,范文渭,周 波,等.水平井射孔槍的應用[J].石油礦場機械,2003,32(6):85-87.

Study of New-type Composite Perforating Gun in Horizontal Well

GUO Xi-ming1,J IAN G Hong-wei2,HUANG Yu-kang3,GUO Qing-feng2,J IANGJi-wei4
(1.Production and Well Test Company,PetroChina Daqing Oilf ield Limited Company,Daqing163412,China; 2.CN PC Drilling Research Institute,Beijing100195,China; 3.China Petroleum Technology&Development Corporation,Beijing100028,China; 4.College ofPetroleum Engineering,China University ofPetroleum(Beijing)102249,China)

At present,casing are used in horizontal wells of Daqing oilfield.The effective internal diameter has become small because the casing becomes deformed owing to horizontal section fluctuation.It is very essential to develop a new-type perforating gun in horizontal well for″casing.The new-type perforating gun and perforating charge are developed by strict gun body material optimize,physical design of gun carrier,linkage structure design of gun carrier and development of new-type perforating charge.The average perforating depth of new-type perforating gun measures up to above 645 m.It is increased 29%than the perforating depth of 89 type perforating gun.The new-type perforating gun can finish multi-direction oriented perforating at perforated interval of horizontal well.The new-type composite perforating gun is developed and its safety property index is examined.The explosive load is optimized.The successful field experiment of Daqing oilfield confirms that new-type composite perforating gun can meet the requirement of composite perforation of horizontal well.

horizontal well;perforation;perforating charge;composite perforating gun;explosive load

1001-3482(2011)05-0005-06

TE934.2

A

2010-11-05

郭希明(1977-),男,河北東光人,2001年畢業于江漢石油學院石油工程專業,現從事射孔完井工作。