等孔徑射孔器評(píng)價(jià)方法探討

李東傳，金成福

石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（黑龍江大慶163853）

■標(biāo)準(zhǔn)化

等孔徑射孔器評(píng)價(jià)方法探討

李東傳，金成福

石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（黑龍江大慶163853）

模擬等孔徑射孔器在混凝土靶套管中的偏靠位置上射孔，可以真實(shí)地反映孔徑變化情況。通過對(duì)等孔徑射孔器、普通射孔器試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，提出利用孔徑相對(duì)偏差、相位孔徑比和孔徑相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來評(píng)價(jià)等孔徑射孔器的孔徑一致程度，并給出了評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，為等孔徑射孔器的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)，希望能為標(biāo)準(zhǔn)的制修訂提供參考。

等孔徑射孔器；間隙；檢測(cè)；評(píng)價(jià)方法

射孔施工時(shí)，由于射孔器在套管內(nèi)偏靠在一側(cè)，槍管壁與套管壁之間間隙不同，導(dǎo)致了射孔孔道不均一（圖1），孔徑小的部分孔道導(dǎo)流能力明顯降低，甚至影響了后續(xù)壓裂施工效果。尤其在水平井、大斜度井中，射孔器由于重力的作用一側(cè)貼在套管內(nèi)壁，由于間隙的影響，射孔后在套管上的孔徑大小不同：靠近套管內(nèi)壁的孔眼直徑大、遠(yuǎn)離的直徑小。在增產(chǎn)改造時(shí)，孔徑小的孔眼注入的流體少，影響整體效果。

圖1 射孔器在套管中偏靠位置射孔示意圖

國內(nèi)外均十分重視解決射孔器在套管中不居中造成的射孔孔眼直徑不一致的問題，并研制了相應(yīng)的射孔器材，能夠在套管上產(chǎn)生基本一致的穿孔孔徑，可稱之為等孔徑射孔器。主要有以下兩類產(chǎn)品：一是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)聚能射孔彈結(jié)構(gòu)，使射孔器基本不受間隙影響，以保證套管上的孔眼直徑一致，代表產(chǎn)品有哈里伯頓公司的MaxForeR-FRAC射孔彈、GEODynamics公司的FracIQTM射孔系統(tǒng)、Hunting Titian的Consistent Hole Charge射孔彈等、中國石油川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司的SDP35HNS25-4射孔器；二是利用扶正裝置確保射孔器居中，避免間隙的影響，具有代表性的產(chǎn)品有中國石油大慶油田有限責(zé)任公司大慶試油試采分公司的旋轉(zhuǎn)扶正裝置+普通射孔器。也有人將旋轉(zhuǎn)扶正裝置+等孔徑射孔器組合使用，希望獲得更好的效果。

GB/T 20489—2006《油氣井聚能射孔器材通用技術(shù)條件》[1]未涉及等孔徑射孔器的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。在分析了等孔徑射孔器技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用地面條件下混凝土靶射孔試驗(yàn)[2]在模擬井下套管中位置的條件下檢測(cè)穿孔性能，并探討了評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 間隙對(duì)射孔效果的影響程度及描述

射孔器在套管中的位置影響穿孔性能，即間隙影響穿孔深度和孔徑。89型射孔器（外徑89 mm）進(jìn)行140 mm（5 1/2 in）套管射孔試驗(yàn)時(shí)，0間隙穿孔深度值都高于大間隙狀態(tài)下的穿孔深度值，這是由于射孔器在套管中的位置不同所造成的，穿孔深度系統(tǒng)誤差為18 mm[3]。

為了研究目前現(xiàn)場(chǎng)使用的射孔器在不同情況下的穿孔性能，按GB/T 20488—2006《油氣井聚能射孔器材性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)射孔器在套管中的位置分別居中、偏靠。2種位置條件下平均穿孔孔徑分別為9.9 mm、10.0 mm（表1），非常接近，但標(biāo)準(zhǔn)差差別大，分別為0.4 mm、1.5 mm，這主要是由于偏靠帶來的系統(tǒng)誤差造成的。0間隙時(shí)孔徑平均值最大，15 mm間隙時(shí)孔徑平均值居中，35 mm間隙時(shí)孔徑平均值最小，相位孔徑比（相位孔徑平均值中極大值/極小值）為1.42。

蔡山等用孔徑差異度描述穿孔孔徑間的波動(dòng)程度，該指標(biāo)給出孔徑分布范圍占平均值的比例，見式1。郭鵬等用相對(duì)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差也就是Chris Sokolove等的相對(duì)波動(dòng)范圍（Range）、變異系數(shù)（Coeffcient of Variation）描述穿孔孔徑間的波動(dòng)程度，相對(duì)偏差給出每一個(gè)孔徑值與平均值的差異占平均值的比例，見式2，與孔徑差異度相似，但強(qiáng)調(diào)的是個(gè)體；相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差給出孔徑波動(dòng)大小占平均值的比例，見式3，強(qiáng)調(diào)整體。這3個(gè)指標(biāo)從不同角度描述了射孔孔徑一致性程度，能夠明顯區(qū)分射孔器居中、偏靠條件下穿孔孔徑特點(diǎn)，均可以作為判定射孔孔徑一致程度的指標(biāo)。

孔徑差異度＝[（最大值－最小值）/2]/平均值×100%（1）相對(duì)偏差＝（測(cè)量值－平均值）/平均值×100%（2）相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＝標(biāo)準(zhǔn)差/平均值×100%（3）

2 井下施工對(duì)孔徑均一程度的要求

姜民政等[4]通過壓裂液在射孔孔眼處損失規(guī)律研究后認(rèn)為，相同壓裂條件下，泵入排量、有效孔眼數(shù)及射孔直徑是射孔孔眼局部位置處壓力損失的主要影響因素，排量越大、有效孔眼數(shù)越少及射孔孔眼直徑越小，孔眼位置處壓力損失越大[5-6]。

謝榮華等[7]認(rèn)為對(duì)于水平井同一段壓裂井段，假設(shè)上下孔眼位置的巖石物性相同，對(duì)于已壓開的裂縫，裂縫延伸端部的壓力相同，則從井筒到上下孔眼裂縫端部的壓力損失相同，可推導(dǎo)出流經(jīng)水平井上下孔眼的流量關(guān)系。按該關(guān)系計(jì)算出了最大與最小孔徑比及與裂縫長(zhǎng)度比間的關(guān)系（圖2），壓裂時(shí)，流經(jīng)上下孔眼的流量比等于孔眼面積比的平方。流量比越接近1，表明裂縫均勻延伸，流量比相差越大，裂縫的非均質(zhì)延伸越明顯，將影響壓裂效果。

圖2 相位孔徑比與壓裂裂縫長(zhǎng)度比間的關(guān)系

目前，國內(nèi)壓裂施工設(shè)計(jì)中沒有針對(duì)孔眼均勻性的規(guī)定，一般認(rèn)為壓裂裂縫非均質(zhì)延伸控制在20%范圍內(nèi)均可接受。水平井壓裂可分為普通壓裂和體積壓裂，普通壓裂射孔段較長(zhǎng)，一般3 m以上，體積壓裂射孔段較短，一般0.5 m左右，但一次壓裂4段（簇）左右。因此，普通壓裂宜從整體考慮，相位孔徑比不大于1.1較合理；體積壓裂宜以簇為單位考慮，即為用簇代替相位較合理。

3 判定指標(biāo)的確定

3.1 等孔徑射孔器

統(tǒng)計(jì)了按GB/T 20488—2006中地面條件下混凝土靶射孔試驗(yàn)（試驗(yàn)時(shí)等孔徑射孔器偏靠在套管內(nèi)側(cè)）結(jié)果（表2）。這表明穿孔孔徑均一性好的等孔徑射孔器相對(duì)偏差在±10%范圍內(nèi)、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤6.0%、孔徑差異度≤9%，其對(duì)應(yīng)的相位孔徑比小于1.1。Chris Sokolove等給出的等孔徑射孔器的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（Coeffcient of Variation）為5.9%，孔徑差異度（Range）為18.3%。

3.2 普通射孔器與旋轉(zhuǎn)扶正器組成的等孔徑射孔器

對(duì)于普通射孔器與旋轉(zhuǎn)扶正器組成的等孔徑射孔器，可利用在套管內(nèi)居中位置試驗(yàn)得到的穿孔孔徑數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)其孔徑的均一程度。統(tǒng)計(jì)2016年國內(nèi)具有代表性的普通聚能孔器產(chǎn)品，以外徑89mm射孔器居中試驗(yàn)結(jié)果為例分析產(chǎn)品整體水平（表3）。普通聚能射孔器產(chǎn)品在居中條件下穿孔孔徑波動(dòng)幅度不同，穩(wěn)定的相對(duì)偏差在±10%范圍內(nèi)、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤6%、孔徑差異度≤10%，不穩(wěn)定的相對(duì)偏差一個(gè)或幾個(gè)超過10%、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到11.0%、孔徑差異度達(dá)到16.8%。

表2 外徑89 mm等孔徑射孔器在外徑139.7mm套管中偏靠位置射孔試驗(yàn)結(jié)果分析

4 評(píng)價(jià)方法

理想的等孔徑射孔器的射孔孔徑均一，但受制造技術(shù)等因素的制約無法實(shí)現(xiàn)。目前，部分產(chǎn)品能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)要求的相位孔徑比≤1.1的要求。

相位孔徑比、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、孔徑差異度均可不同程度地反映組內(nèi)個(gè)體的分布情況，如果選為評(píng)價(jià)參數(shù)，則可能出現(xiàn)單個(gè)數(shù)據(jù)波動(dòng)很大的現(xiàn)象，且無法確定極值數(shù)據(jù)的個(gè)體數(shù)量。如以相位孔徑比≤1.1、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤6%、孔徑差異度≤10%為判定值，可能出現(xiàn)單個(gè)數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差＞10%的現(xiàn)象。表3中E型產(chǎn)品相位孔徑比1.00、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差4.8%、孔徑差異度10.0%，有一個(gè)孔徑相對(duì)偏差＞10%，為13.1%。相對(duì)偏差描述的是組內(nèi)的個(gè)體，與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、孔徑差異度、相位孔徑比密切相關(guān),如果選為評(píng)價(jià)參數(shù)，可控制單個(gè)孔徑波動(dòng)幅度和超過該幅度的量。如果允許1個(gè)或幾個(gè)值超過10%，也可選擇計(jì)數(shù)抽樣的方案解決。因此，選相對(duì)偏差作為評(píng)價(jià)參數(shù)較為合適，必要時(shí)再輔助相位孔徑比、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差等指標(biāo)也是可行的。相位孔徑比評(píng)價(jià)指標(biāo)初步定為≤1.1，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差評(píng)價(jià)指標(biāo)初步定為≤6.0。

表3 外徑89 mm聚能射孔器在外徑139.7 mm套管中居中位置射孔試驗(yàn)結(jié)果分析

相對(duì)偏差采用計(jì)數(shù)抽樣方案。計(jì)數(shù)抽樣檢驗(yàn)方案按國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定確定。

5 結(jié)論與建議

1）利用地面條件下混凝土靶射孔試驗(yàn)?zāi)M射孔器在井下套管中的位置檢測(cè)等孔徑射孔器的穿孔深度、穿孔孔徑等性能指標(biāo)，真實(shí)地反映等孔徑射孔器的穿孔性能。

2）利用“相對(duì)偏差”可以合理地評(píng)價(jià)穿孔孔徑的一致性，結(jié)合施工需求及國內(nèi)外產(chǎn)品整體水平確定了評(píng)價(jià)值。并給出了與之對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)抽樣檢驗(yàn)方案。

3）相位孔徑比、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差和孔徑差異度均可不同程度地反映組內(nèi)個(gè)體的分布情況，作為評(píng)價(jià)指標(biāo)在產(chǎn)品穩(wěn)定性好的情況下能夠準(zhǔn)確描述孔徑有一致程度。當(dāng)產(chǎn)品穩(wěn)定差時(shí)，可能出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)孔徑值異常大或小的現(xiàn)象，與相對(duì)偏差等描述個(gè)體的指標(biāo)結(jié)合使用更合理。

[1]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).油氣井聚能射孔器材通用技術(shù)條件：GB/T 20489—2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[2]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)民用爆破器材服務(wù)中心.油氣井聚能射孔器材性能試驗(yàn)方法：GB/T 20488—2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[3]李東傳,金成福,徐艷萍,等.關(guān)于SY/T 5128—1997標(biāo)準(zhǔn)中穿孔深度判定方法所存在的系統(tǒng)誤差[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2012,28(8)：32-34.

[4]姜民政,曹彥鵬,葉鵬,等.壓裂液在射孔孔眼處壓力損失規(guī)律研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2011,40(3)：1-4.

[5]朱軍,田仲強(qiáng),趙明宸,等.油水井射孔孔眼對(duì)全井滲透率的影響分析[J].石油石化節(jié)能,2003,19(10)：18-19.

[6]周田生.射孔水平井孔眼密度優(yōu)化分析[J].石油鉆探技術(shù), 2007,35(5)：55-57.

[7]謝榮華,王文軍.偏心射孔對(duì)水平井壓裂的影響[J].測(cè)井技術(shù),2015,39(5)：660-664.

To simulate the perforation of constant diameter perforator in concrete target casing can really reflect the size change of perforated holes.Through comparative analysis of the test results of constant diameter perforator with conventional perforator,it is suggested that the relative deviation of perforated hole diameter,phase hole diameter ratio and ratio and the relative standard deviation of hole diameter are used as the parameters for evaluating the consistency of the perforated holes,and the evaluation method and the evaluation indexes are presented,which lays a foundation for the inspection and evaluation of constant diameter perforator,and is hoped to provide reference for the setting and revision of the related standards.

constant diameter perforator;clearance;detection;evaluation method

路萍

2017-03-01

李東傳（1969-），男，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事射孔器材檢驗(yàn)工作。