復(fù)合射孔技術(shù)及影響射孔效果與安全性因素分析

石延強(qiáng)

【摘要】分析了高能氣體爆燃壓裂復(fù)合射孔技術(shù)原理和復(fù)合壓裂射孔作用機(jī)理，重點(diǎn)對影響壓裂復(fù)合射孔效果與安全性因素進(jìn)行了論述，以為高能氣體爆燃壓裂復(fù)合射孔技術(shù)應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合壓裂射孔技術(shù) ?技術(shù)原理 ?作用機(jī)理 ?效果與安全性 ?影響因素

隨著注水井生產(chǎn)時(shí)間的增長，由于受儲層本身特性、后期作業(yè)、水質(zhì)差等因素的影響，在射孔井段周圍，地質(zhì)狀況逐漸發(fā)生變化，地層被堵塞，受到污染，近井地帶滲流特性變差，導(dǎo)致吸水能力下降。在砂礫巖等巖性致密、低孔低滲的儲層中，由于受到鉆井液和固井水泥污染，會形成污染帶，影響油井產(chǎn)能。采用常規(guī)射孔器射孔本身會形成射孔壓實(shí)帶，且穿透深度淺，射孔效果較差。

一、高能氣體爆燃壓裂復(fù)合射孔技術(shù)原理

高能氣體爆燃壓裂復(fù)合射孔技術(shù)利用射孔彈炸藥與內(nèi)置式或袖套式一級火藥的反應(yīng)時(shí)間差實(shí)現(xiàn)先射孔、后壓裂;利用火藥延時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)二級火藥對儲層的后續(xù)壓裂。在射孔孔道周圍形成寬而長的裂縫，有效地破除射孔壓實(shí)帶和鉆井、固井污染，降低地層的表皮系數(shù)，提高地層滲流能力。

二、復(fù)合壓裂射孔作用機(jī)理

復(fù)合壓裂射孔對地層的作用機(jī)理分為三個(gè)方面，即深穿透作用、熱化學(xué)作用和解堵除污染作用。

深穿透作用：此作用是復(fù)合射孔技術(shù)對地層最直接有效的機(jī)械做功形式，由于火藥能量的有效利用，使得射孔穿透深度為聚能裝藥的穿孔深度與火藥的造縫深度之和，大幅度提高了常規(guī)射孔的穿深，這種深穿透效果不僅溝通地層的范圍廣，滲流面積大，而且有與地層天然裂縫溝通的可能。

熱化學(xué)作用：火藥燃燒后不僅產(chǎn)生高壓氣體，而且釋放出相對集中的大量熱能，在近井帶引起較大的溫度變化，同時(shí)燃燒產(chǎn)物中的CO、CO2、NO、NO2等成分遇水可形成酸性液體對巖層起酸化作用

解堵除污染作用：火藥裝藥燃燒產(chǎn)生的高壓高溫氣體流束沿射孔孔道的高速沖擊震蕩，不僅使孔道延伸擴(kuò)展，而且在孔眼周圍也產(chǎn)生縱橫交錯(cuò)的多條短裂縫，這種多向造縫作用，不僅解除了壓實(shí)帶堵塞，而且消除了鉆井泥漿、固井水泥等污染，實(shí)現(xiàn)了地層綜合性解堵，改善了近井帶的導(dǎo)流能力。

三、影響壓裂復(fù)合射孔效果與安全性因素

（一）孔密及峰值壓力對效果的影響

在射孔參數(shù)中，射孔孔深、孔徑、孔密是影響油氣井產(chǎn)率比的重要參數(shù)，而當(dāng)彈型確定以后，對于復(fù)合壓裂射孔器而言，孔密成為影響壓裂復(fù)合射孔效果的因素之一，它既關(guān)系著單位長度上的火藥裝藥量，又影響著射孔段套管中的峰值壓力。因?yàn)閴毫言炜p的能力、長短和方向靠高能氣體壓力變化（即壓力上升時(shí)間，峰值壓力和壓力持續(xù)時(shí)間）來控制。在壓裂復(fù)合射孔的作用過程中，火藥裝藥燃燒形成的高能氣流是通過套管上射出的孔眼而對巖層中形成的孔道實(shí)施沖擊加載的。

復(fù)合射孔器火藥燃燒產(chǎn)生的高能氣流通過射孔孔眼泄入儲層的質(zhì)量速率與套管內(nèi)外壓差成正比關(guān)系。在一定的條件下，高能氣流增大，使射孔延縫深度增加。但套管內(nèi)外壓差由套管內(nèi)產(chǎn)生的峰值壓力決定，而峰值壓力與復(fù)合射孔器單位長度的火藥裝藥量有關(guān)，也與套管內(nèi)單位時(shí)間通過孔眼的壓降有關(guān)。從保證復(fù)合射孔效果的角度出發(fā)，單位長度的復(fù)合射孔器必須匹配適量的火藥裝藥，在套管內(nèi)產(chǎn)生足夠的峰值壓力和內(nèi)外壓差，使復(fù)合射孔形成高能燃?xì)饬饕越^對大于巖層破裂壓力的動能對油氣層沖擊加載。

射孔密度增大都可使單位時(shí)間內(nèi)泄入地層的氣體量增大，井筒內(nèi)壓力變低，套管內(nèi)外壓差變小。這個(gè)結(jié)果對加快槍內(nèi)和套管內(nèi)高壓的泄出速度，減少兩者的承壓時(shí)間和承壓值，增大施工安全性無疑是有利的;但對于井筒內(nèi)能否對達(dá)到所需的峰值壓力卻有著副影響趨勢。在復(fù)合射孔應(yīng)用中，峰值壓力決定著對巖層沖擊加載速度和孔道中裂面壓力值的大小，因此，直接影響著射孔延縫的深度和最終的使用效果。要使單位長度有合理的火藥裝量或匹配合理的彈孔火藥量，并在既保證槍體和套管安全承壓的前提下，又使套管內(nèi)產(chǎn)生必要的峰值壓力和作用時(shí)間，對復(fù)合射孔而言，10至16孔是效果較好的孔密。

（二）射孔井段上部液面高度對效果的影響

復(fù)合射孔器射孔過程完成后，火藥燃燒形成一定的峰值壓力與作用時(shí)間達(dá)到延縫目的。峰值壓力與火藥裝藥量、燃燒形態(tài)及泄壓速率有關(guān)，另外也與施工中的液柱高度有關(guān)。從復(fù)合射孔在井中作用情況分析，假設(shè)點(diǎn)火前射孔槍在井筒內(nèi)沒有自由空間，點(diǎn)火后火藥燃燒產(chǎn)生的壓力使井筒內(nèi)液柱上舉形成一定的自由空間。液柱低則質(zhì)量輕，舉升位移大而自由空間大，造成峰值壓力降低。隨著液柱的高度的增加，峰值壓力也增加。研究表明當(dāng)液柱高度小于500m時(shí)，峰值壓力對液柱的變化比較敏感，而當(dāng)液柱高度大于500m后，峰值壓力隨著液柱的高度的增加而增加，但增加的幅度趨于平緩。同樣，液柱的高度也影響著造縫長度，其影響趨勢與對峰值壓力地影響大致相同。

通過以上分析，復(fù)合射孔施工時(shí)井內(nèi)液柱的高度既影響峰值壓力，也影響射孔造縫的的長度，最終影響了應(yīng)用效果。所以，在確保槍體滿足耐壓要求并選用對油層無污染的壓井液的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量使井筒內(nèi)液柱達(dá)到需要的高度。一方面體現(xiàn)復(fù)合射孔高壓射孔的特點(diǎn)，達(dá)到預(yù)期的射孔效果;另一方面還可使槍體有一定的外壓的保護(hù)，抵消槍內(nèi)產(chǎn)生的部分壓力，增加施工的安全性。現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)為了削減液面高度對效果的影響，一般在射孔器上方的管柱中安裝限流器，控制限流器與套管內(nèi)壁的間隙可減少液體上泄流量。

（三）火藥燃燒性能對應(yīng)用安全性的影響

復(fù)合射孔器中的火藥裝藥的種類、裝藥結(jié)構(gòu)、環(huán)境壓力及溫度都直接影響著其燃燒性能，而火藥裝藥的燃燒性能能否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)對產(chǎn)品的應(yīng)用效果及安全性有著直接的關(guān)系。復(fù)合壓裂火藥（推進(jìn)劑）的成分及裝藥是復(fù)合射孔技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它的優(yōu)劣直接影響著復(fù)合射孔的應(yīng)用效果。

火藥要滿足四方面的要求：一是火藥推進(jìn)劑的燃燒速度;二是推進(jìn)劑燃燒后形成的壓力峰值;三是推進(jìn)劑燃燒所形成的壓力峰值維持時(shí)間;四是推進(jìn)劑的耐溫耐壓必須達(dá)到井下使用要求。

對于推進(jìn)劑的燃燒速度不能太快也不能太慢，太快則第一次與第二次峰值壓力同時(shí)達(dá)到最高峰值或相隔的時(shí)間太短，一方面影響了氣體的壓裂效果，另一方面容易使槍和套管無法承受高壓力造成事故;如果燃速太慢，則所形成的高壓氣體的壓力降低，很難達(dá)到壓裂功能。對燃燒后形成的壓力峰值大小也有要求，峰值過高對槍破壞大，峰值低則影響壓裂效果，所以要保持一個(gè)合適的壓力值，且應(yīng)考慮到井深、射孔厚度及地質(zhì)構(gòu)造情況。為了得到較好的壓裂效果，要求在壓力峰值處保持一定的時(shí)間，峰值壓力的保持時(shí)間長一些對壓裂的效果也響應(yīng)就越好。為達(dá)到以上要求，一般采用復(fù)合型燃燒裝藥。