超高孔密射孔器的研制及應用

朱建新

（中石化勝利石油工程有限公司測井公司，山東 東營 257096）

引言

疏松稠油油藏的開發是一個世界性難題，這種油藏的儲層壓實差，膠結疏松，油井極易出砂，造成產能逐漸下降，嚴重時可以使油井報廢。我國渤海灣蓬萊PL19－3油田的主力油藏就屬這種情況，但它埋藏淺、涵蓋廣、儲層物性好，屬高孔高滲的典型稠油構造，極具開采價值。中海油田服務股份有限公司和美國康菲石油公司于2003年開始合作開采該區塊，嘗試了多種完井方式，但效果一直不理想，主要原因之一是采用的是普通射孔器，穿孔孔徑小，孔密低，射孔后獲得的井筒泄流面積小，油氣產能較低，且地層砂處理難度大、成本高，投產后產能迅速下降。為最大限度地提高或恢復PL19－3油田的生產能力，中美雙方專家認為必須采用兼有超高孔密和大孔徑雙重特性的射孔器射孔，并配合后續壓裂礫石充填作業。這樣既能防止生產過程中地層出砂，又能保證油流有足夠的流通面積流入井筒，為實現高產創造有利條件。

針對PL19－3油田的具體井況，中美雙方專家提出了超高孔密射孔器的技術指標要求：槍外徑為178mm或127mm，孔密為60孔／m；178型射孔器平均穿孔孔徑應大于20mm，平均穿孔深度應大于300mm；127型射孔器平均穿孔孔徑應大于19mm，平均穿孔深度應大于200mm。經過對國內外相關文獻的收集、分析，發現目前國內還沒有類似的超高孔密大孔徑射孔器，國外雖有類似的射孔器，但穿深太淺，如美國歐文公司178型59孔／m射孔器平均穿孔深度僅225mm，不利于油氣井產能的提高，因此需開展創造性的研制工作。

1 技術方案

根據聚能射流破甲理論，以系統工程思維方法為指導，開展超高孔密射孔器的研制。研制內容主要有彈架、槍管和射孔彈，其余零部件及火工品與海洋油田常用產品一致，以保持互換和通用。射孔彈及其排布設計是本研制項目的核心和重點，其技術上存在較大的難度。射孔器的穿孔效果除了受射孔彈的影響外，還受射孔彈裝槍炸高、彈間距、相位等因素的影響。這些因素彼此聯系，在進行射孔器的設計時，需對它們進行綜合、系統的考慮，以盡量消除超高孔密條件下的彈間干擾，發揮射孔器的最大效能。

1.1 超高孔密射孔器總體方案設計

為了在有限的槍管內布置更多的射孔彈，將射孔器設計成沿螺旋線十八方位均布射孔的結構，見下頁圖1，其參數見表1。為實現標準化和互換性，并考慮井場操作的便利性，將槍管兩端的連接母扣設計成油田通用的美制梯形螺紋，各槍管通過中間接頭連接，槍與槍之間通過對接的傳爆管傳爆。

圖1 射孔器結構組成及射孔孔眼分布情況

表1 射孔器主要力學參數

射孔器的工作原理為：由起爆器引爆槍頭的傳爆管及所連的導爆索后，導爆索依次引爆所連的射孔彈，射孔彈爆轟時推動藥型罩向軸線運動，罩壁在軸線處匯聚碰撞形成高能金屬射流，金屬射流依次在套管、固井混凝土和地層巖石上射出一定直徑和長度的孔道，從而溝通井筒和油氣層，實現開采目的。

1.2 彈架設計

主要是對彈架的尺寸、相位、孔密進行設計。設計原則是為射孔彈創造合適的炸高，從而保證射孔器有足夠大的穿孔孔徑。同時需考慮彈孔的分布，以盡量增加孔密并避免彈間干擾。用公式（1）、公式（2）的計算結果來判定是否存在彈間干擾。如判定存在彈間干擾，則需對孔密、相位角及射孔彈外形尺寸等進行相應調整。

式中：V1為視爆速，m／s；K 為與射孔彈藥量、壁厚等有關的系數；V0為導爆索爆速，m／s；L1為相鄰兩彈間的邊緣距離（孔密越大，L1越小），mm；L2為相鄰兩彈間的導爆索長度，mm；π為圓周率；c為導爆索與彈架的中心距，mm；φ為相位角，（°）；n為孔密，孔／m。

根據試驗經驗，當V1＞500m／s，不會出現彈間干擾；當V1≤500m／s，有可能出現彈間干擾。

1.3 槍身設計

槍身設計與彈架設計相協調，孔密為60孔／m，18相位，其余設計與常規射孔槍相同。

1.4 射孔彈設計

通常情況下，射孔彈的穿孔深度越深，穿孔孔徑就越小；反之，穿孔孔徑越大，穿孔深度就越淺。因此，國內外的深穿透射孔彈的穿孔孔徑都較小，而大孔徑射孔彈的穿深都較淺。要同時實現孔徑和深穿的設計目標，就需要提高并合理分配射孔彈的有效能量。

射孔彈設計包括藥型罩、彈殼和裝藥設計三個方面，這三個方面相互影響，需綜合考慮、協調，其中藥型罩是射孔彈的核心，需進行重點設計。這三個方面設計完后，通過數值仿真及正交試驗進行優化，確定射孔彈的最佳結構狀態。

1.4.1 射孔彈穿靶的理論計算

根據聚能射流穿靶理論［1］，射孔彈的穿孔深度及孔徑可分別由公式（3）和公式（4）確定。

式中：L為穿孔深度，mm；H 為炸高，mm；b為常數，mm；vj1為射流頭部速度，m／s；vj2為射流尾部速度，m／s；ρj為藥型罩或射流密度，g／cm3；ρt為靶材密度，g／cm3；D 為穿孔孔徑，mm；dj為射流直徑，mm；vj為射流速度，m／s；σ為靶材的抗拉強度極限，MPa；K為經驗常數。

公式（3）表明，炸高越高，射流頭尾速度比值及射流與靶材密度比值越大，射孔彈穿孔深度就越深。公式（4）表明，增加射流直徑或射流速度均能增加穿孔孔徑。

1.4.2 藥型罩設計

1）藥型罩材料選擇。根據藥型罩聚能原理及射流破甲理論可知，藥型罩在爆轟能量作用下形成連續不斷的射流愈長，密度愈大，汽化愈少，射孔彈的穿孔深度就愈深。因此，對藥型罩材料總的要求是塑性好、密度大、沸點高。根據指標要求，本項目178型射孔彈采用了銅、鉛粉作為藥型罩材料，127型射孔彈采用了特種銅合金作為藥型罩材料。

2）藥型罩結構設計。藥型罩有錐形、半球形、喇叭形、雙曲線形、拋物線形等結構，結構不同，穿孔效果也不同。為實現特定的穿孔指標，178型超高孔密射孔器的藥型罩采用了多錐、多圓弧組合的結構形式，127型超高孔密射孔器的藥型罩采用了雙圓弧的結構形式。

1.4.3 裝藥設計

裝藥影響射孔彈穿孔性能的主要因素是爆轟壓力，爆轟壓力越大，穿孔就越深、越大。爆轟壓力可用公式（5）、公式（6）進行計算。

式中：PCJ為爆轟壓力，Pa；ρ0為炸藥密度，kg／m3；D為炸藥爆速，m／s；A為常數，與炸藥性質有關；B為常數，與炸藥性質有關。

因此，為了提高射孔穿孔性能，需選取爆轟壓力高的炸藥。炸藥選定后，應盡可能地提高炸藥的裝填密度。

2 技術難點及實現途徑

對超高孔密射孔器來說，它主要的技術難點在于如何消除彈間干擾，以及在保證射孔槍安全的前提下如何提高射孔彈的穿孔性能。本項目在通過數值仿真技術對設計方案進行優化的基礎上，先后進行了鋼靶射孔試驗、整槍抗爆試驗及混凝土靶射孔試驗，解決了平均穿孔孔徑小、彈間干擾、槍管炸裂等技術難題，使射孔器的安全性指標及穿孔性能指標滿足預定要求。

2.1 彈間干擾的解決途徑

高孔密射孔器爆炸時容易出現彈間沖擊波干擾（簡稱彈間干擾），導致穿孔性能明顯下降。彈間干擾現象具體表現為射流發散、偏移，穿孔不規則，平均穿孔深度下降，孔徑變小，穿孔穩定性下降等。高孔密射孔器彈間干擾問題一直是困擾業界的一大難題，限制了油氣井產能及產出率的進一步提高。本項目研制的主要難點就是如何避免彈間干擾。

彈間干擾產生的主要原因是：先爆的射孔彈引起的沖擊波作用到后爆的射孔彈上，使后爆的射孔彈爆轟時已處于一種不對稱的壓力場狀態，從而使射流不穩定，最終造成射孔孔道不規則，而且很淺［2］。另外，如果導爆索繞排方式不合理，導爆索產生的沖擊波也會使射孔彈在引爆前處于不對稱的壓力場中，對射孔彈造成干擾。

一般來說，彈間距一定時，裝藥量越大、殼體越薄，彈間干擾越嚴重。為減少高孔密狀態下的彈間干擾，本項目設計時在同類射孔彈的基礎上減少了裝藥量、增加了壁厚，因而彈間干擾相對較小。

在前期的彈間干擾理論研究中，計算并比較了先爆射孔彈產生的沖擊波傳播到后爆射孔彈的時間t1與導爆索引爆相鄰射孔彈的時間差t，得出產生彈間干擾的前提條件是：t1＜t。導爆索對射孔彈造成干擾的前提條件與此類似。

要避免出現彈間干擾，需保證t1＞t。在不改變射孔彈狀態的前提下，本項目分別通過如下兩個途徑實現t1＞t。

1）通過增大彈間距離，延長沖擊波傳播時間t1，通過縮短彈間導爆索長度，縮短相鄰射孔彈的引爆時間差t，這可通過優化射孔彈及導爆索的排布方式實現；優化時需綜合考慮槍型、彈型、孔密、相位、炸高及導爆索繞排方式，以充分發揮射孔彈的穿孔性能，同時盡可能降低彈間干擾。

2）提高導爆索的爆速，以縮短相鄰射孔彈的引爆時間差t。

本項目射孔器的具體設計是：導爆索處于彈架的中心，使彈間導爆索長度最短，同時相鄰的射孔彈通過140°大相位角排布增大彈間距離，并采用爆速大于7 800m／s的高爆速導爆索來減少導爆索彈間傳爆所需的時間（普通導爆索爆速一般為7 000m／s左右）。

2.2 射孔彈穿孔性能及穩定性的解決途徑

在研制初期遇到了孔徑和穿深不能兼顧、槍管抗爆強度和穿孔性能不能兼顧等難題。后來利用數值仿真軟件及輔助創新工具，通過調整彈殼內腔及藥型罩的結構、材料、重量，提高了炸藥能量的利用率，在射孔彈藥量不增或減少的情況下，最終使穿深和孔徑得到了一個較理想的組合，同時保證了槍管安全，炸后槍管膨脹量小于4mm，滿足GB／T 20489的要求。

3 達到的技術指標

本項目突破彈間干擾的技術瓶頸，首次研發出了系列超高孔密大孔徑射孔器，該類具有孔密高、無彈間干擾、穿孔性能好、可靠性和安全性高等優點，具體達到的指標見表2，其中127型60孔／米射孔器的相關照片見圖2～圖4。

表2 超高孔密大孔徑射孔器達到的指標

圖2 127型60孔／m射孔器彈架總成

4 推廣應用情況

2009年8 月至今，178型60孔／m射孔器在渤海灣蓬萊油田推廣使用，現已累計使用178型超高孔密射孔彈45余萬發，并創下一次作業射孔段最長、用彈量最多的世界紀錄，完全滿足壓裂礫石充填對于射孔的要求，徹底解決了地層出砂的問題，實現了油井的高產和穩產。

2010年7 月至今，127型60孔／m射孔器在渤海灣蓬萊油田生產井和注水井中推廣使用，現已累計使用127型超高孔密射孔彈35余萬發。對生產井來說，有效解決了地層出砂的問題，對注水井來說，大大提高了注水井的注入效率，降低了注水成本，從而實現了油田的高產和穩產，受到了用戶好評。

圖3 射孔后的槍身及套管

圖4 混凝土靶上的穿孔孔道

隨著油氣勘探開發的深入發展，疏松稠油油藏所占的比例將越來越大，超高孔密射孔器的應用前景也將越來越廣闊。

5 結語

1）本項目針對稠油井射孔要求及國內外超高孔密射孔系統存在的不足，在對影響稠油易出砂油井產能的因素及射孔工藝進行系統分析的基礎上，提出了超高孔密射孔系統的設計方案和降低彈間干擾的技術途徑。

2）在通過數值仿真技術對設計方案進行優化的基礎上，先后完成了鋼靶射孔試驗、整槍抗爆試驗、混凝土靶射孔試驗等研究工作，解決了穿孔孔徑小、彈間干擾、槍管炸裂等技術難題。

3）本項目突破了超高孔密條件下消除彈間干擾的技術瓶頸，實現了超高孔密條件下優良的穿孔性能。經試驗驗證及大量使用證明，超高孔密射孔器各項指標均滿足預定要求，且孔密、孔容、泄流面積比現有射孔器有顯著提高。

4）超高孔密射孔器為稠油、易出砂油藏的開發提供了一種高效的手段。

［1］ 北京工業學院八系《爆炸及其作用》編寫組.爆炸及其作用［M］.北京：國防工業出版社，1979.

［2］ 李東傳，金成福，劉亞芬，等.彈間干擾消除方法初探［J］.測井技術，2006，30（5）：476－478.