多脈沖復合射孔器研制與應用

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(大慶油田有限責任公司試油試采分公司 黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

復合射孔器是一項誕生于90年代的射孔新器材，經過多年的技術完善和發展，在油田已經得到廣泛應用。其特點是：將射孔彈與火藥有機地結合起來，一次下井分步做功，通過特殊的泄壓方式控制釋放高能氣體，實現射孔與高能氣體壓裂雙重作用的效果。近年來，通過深入研究，在傳統復合射孔的基礎上開發出了彈架內外同時布藥的多脈沖復合射孔器，通過理論計算及現場試驗，利用該射孔器射孔，可延長對地層的做功時間，對地層進行多次作用造縫，提高油井的產能[1]。

1 多脈沖復合射孔器原理及設計

1.1 技術原理

多脈沖復合射孔器在彈架內裝高燃速火藥，彈架外裝中等燃速火藥。射孔彈爆炸首先點燃彈間高燃速火藥，進而點燃彈架外低燃速火藥，由于兩種火藥的燃速時差，避免了壓力疊加引起的超高壓。可以產生兩個火藥峰值，對地層進行多次加載造縫，有效地提高油井的產能[2]。

1.2 技術特點

1)不須改變傳統的彈架固彈方式，可以直接與之裝配；

2)不影響射孔器的穿深性能，包括孔密及相位角；

3)不須特殊安裝工藝，可方便地安裝，與常規復合射孔槍安裝工藝基本相同；

4)一體式結構，火藥藥片有塑料外殼保護，裝配過程不會造成藥片損傷和危險；

5)采用單元式或整體式兩種設計，由射孔彈口部直接定位，牢固可靠，不用擔心某個部件的脫落問題；

6)火藥量增大的情況下，不會引起炸槍、卡槍現象，不同燃速的火藥可對地層多次做功加載。

1.3 射孔槍設計

1)槍身泄壓孔的設計

對泄壓孔孔徑及位置重新優化設計，射流方向與泄壓孔成0°角，并且加大了泄壓孔泄流面積，提高了氣體的泄流速率，泄壓孔的位置正對射孔孔道，在沒有壓損的情況下直接對地層做功；射孔器盲孔結構采用內盲孔，可以有效提高射孔炸高，提高射孔效果；通過理論計算與數值分析[3]，與傳統泄壓孔結構對比，氣體的泄流速率提高了21%，綜合做功能力提高了28%左右。優化設計后的泄壓孔結構如圖1所示。

圖1 優化后的泄壓孔結構圖

2)堵片的設計

泄壓孔破碎型堵片，能夠承受壓力達到80 MPa，在射孔后形成最大不超過4 mm×4 mm的小顆粒，可以完全通過洗井液替出，不會影響油氣井的大修與改造。

1.4 多脈沖復合火藥設計

多脈沖復合射孔器使用兩種不同燃燒性能火藥(高、低兩種燃速火藥)，通過彈架內外同時裝藥形式抑制射孔彈爆炸對火藥的直接沖擊起爆作用，由高燃速火藥對低燃速火藥順序點火，在保證射孔器最佳設計的同時，成倍增加火藥量[4]。

2 試驗檢測

2.1 火藥藥性檢測

對火藥進行高溫性能測試，使火藥能夠在高溫條件下，燃燒性能和能量性能不發生變化，確保火藥的有效性和作業的安全性。采用高溫試驗裝置和火藥密閉爆發器試驗裝置對兩種火藥分別進行高溫試驗前后的燃燒性能測試，結果證明兩種火藥在耐溫指標下具有良好的熱穩定性，見表1。

表1 試驗前后火藥性能參數對比

2.2 堵片檢測

1)耐壓能力測試

用專用超高壓試驗裝置對裝有破碎堵片的整槍進行密封打壓試驗。打壓試驗流程為：50 MPa保壓5 min,70 MPa保壓15 min，80 MPa保壓5 min，90 MPa保壓15 min。試驗結果：90 MPa為臨界破壞壓力，升壓和保壓過程穩定，槍身與堵片形貌無任何變化，證明該結構粉末冶金堵片安全承受壓力能夠達到80 MPa[5]。堵片前后對比如圖2所示。

圖2 破碎堵片試驗前后對比

2)破碎堵片的破碎效果

利用單發射孔單元試驗裝置進行多次的試驗，并全部回收堵片殘渣，結果表明：在89-3彈尾部的爆炸沖擊作用下，破碎型堵片可以破碎，最大顆粒尺寸小于4 mm×4 mm。

2.3 多脈沖復合射孔器地面檢測

通過混凝土靶、模擬井檢測驗證，多級復合射孔器各項指標及對射孔槍及套管影響均在行業標準范圍內，保證了多級復合射孔施工安全和效果，見表2、表3。

2.4 現場射孔測試

通過現場試驗，選擇相同井況的兩口井，分別使用102常規復合射孔技術與102多脈沖復合射孔器進行試驗，通過實測得p-t曲線，多脈沖復合射孔火藥裝藥量比傳統復合射孔高了1倍，峰值壓力得到了有效控制，波的形態有了明顯的改善，壓力作用時間比傳統復合射孔延長了2倍，見圖3和表4。

表2 多級復合射孔技術混凝土靶檢測結果

表3 多級復合射孔技術模擬井檢測結果

通過現場試驗檢測，多脈沖復合射孔器裝藥量大，峰值壓力大，做功時間延長。

表4 102多脈沖復合射孔與傳統復合射孔能量輸出參數對比

3 現場應用

3.1 壓力檢測

在現場應用過程中，對A井的井下壓力進行了監測。采用p-t儀測壓。圖5是某井的p-t壓力曲線圖。從圖上可以看出，多脈沖復合射孔器在井下起爆后可以產生兩個火藥峰值，達到了預期的效果，如圖5所示。

圖5 A井p-t曲線圖

3.2 應用效果

為了進一步驗證多脈沖復合射孔器的施工效果，我們選擇了同一區塊具有可對比性的相鄰井進行效果對比。表5為多脈沖復合射孔與常規復合射孔在某區塊的產液效果對比表；表6為多脈沖復合射孔與常規復合射孔在某區塊的產油效果對比。

表5 多脈沖復合射孔器采液效果一覽表

表6 多脈沖復合射孔器采油效果一覽表

從表中數據可以看出，多脈沖復合射孔效果與同區塊常規復合射孔效果相比，平均采液強度提高10%以上，單井日增油量平均為0.2 t。

4 結 論

1)通過對多脈沖復合射孔器的試驗應用，在火藥量增大的情況下，射后脹徑在行業標準范圍內，保證了射孔施工的安全性。通過對射孔后的井徑測試，該技術對套管、水泥環的影響不大。

2)通過對多脈沖復合射孔器應用效果跟蹤，試驗井與同區塊同地質條件的復合射孔井進行對比，平均采液強度提高10%以上，單井日增油量0.2 t，具有較好的應用效果。