射孔彈穿孔孔徑穩定性影響因素分析

王浩,李哲雨,魯坤,周明,趙文杰,楊翕智

(西安物華巨能爆破器材有限責任公司,陜西西安710061)

0 引 言

在油氣井射孔完井作業過程中,由于井斜或者射孔管串自重的影響,射孔器在油氣井中處于不完全居中狀態,尤其是在大斜度和水平井中,射孔器管串幾乎緊貼套管內壁,采用常規射孔彈射孔時沿套管周向上形成大小不一的孔眼。當進行后續水力壓裂作業時,孔眼大的通道注入壓力先達到儲層的破裂壓力而被壓開,隨著裂縫的增大,井筒壓力逐漸降低,小孔徑通道卻不能有效壓開,且容易形成大角度通道和橋接。為了有效壓開小孔徑通道需要更高的泵壓和消耗更多液體,其成本很高,且效果不佳[1-3]。基于上述原因,解決射孔器在不居中狀態下射孔后套管上形成孔眼不一致性問題成為油氣田射孔完井作業的當務之急。

等孔徑射孔彈是在此背景下發展起來的新型射孔彈,具有孔眼一致性好、孔眼大、深穿透的特性[4]。影響射孔彈穿孔孔徑穩定性的因素較多,郭紅軍等[5]從裝藥結構、藥型罩配方、壓罩工藝等方面進行了等孔徑射孔彈性能影響因素探討;魯坤等[6]通過數值模擬方法分析了等孔徑射孔彈藥型罩壓垮、射流形成、延伸和斷裂失穩的原因;郭鵬等[7]基于MA Cook射流侵徹靶板孔眼計算方法,采用有限元方法定性分析了等孔徑射孔彈作用機理,得到藥型罩結構和藥型罩材料強度對于孔徑穩定性的影響規律;李東傳等[8]從標準偏差、孔徑差異性等方面提出等孔徑射孔器穿孔穩定性評價方法。

本文在射孔彈殼體結構、裝藥量、藥型罩配方和藥型罩成型工藝相同的條件下,明確了裝藥結構是孔徑大小和孔徑穩定性的主要影響因素。裝藥結構由藥型罩結構、罩頂藥高和彈殼內腔結構組成,藥型罩口徑和頂部錐角α確定后,藥型罩其余錐角根據α大小進行設計[9]。采用正交設計法將影響射孔彈穿孔穩定性的因素藥型罩錐角、藥型罩質量和罩頂藥高3種因素進行正交試驗分析,得出最優組合,結合正交試驗方案等孔徑射孔彈穿孔穩定性能影響因素,為同類型等孔徑射孔彈設計與性能測試提供參考數據。

1 方案設計

1.1 產品結構設計及測試方法

試驗選用102型等孔徑射孔彈,其整體結構和藥型罩結構設計見圖1,彈殼和藥型罩參數為定值。

圖1 102型等孔徑射孔彈整體結構和藥型罩結構設計圖

試驗采用模擬裝槍穿鋼靶試驗方法(見圖2)。槍套間隙采用極限偏靠方式,102型射孔槍盲孔深度為4 mm,模擬套管壁厚為10.54 mm。槍套含水間隙分別為4.00、8.06、20.00、26.39 mm(見圖3)。

圖2 地面模擬裝槍穿鋼靶試驗示意圖

圖3 射孔槍與套管極限位置圖*非法定計量單位,1 in=2.54 cm,下同

1.2 正交試驗方案設計與測試結果

正交試驗設計由試驗因素的不同水平組成,挑選部分具有代表性的水平進行組合試驗,通過對部分實驗結果分析推斷全面的試驗情況,找到最優的水平組合。而在射孔彈研制過程中,正交試驗用部分試驗替代全面試驗,減少試驗成本、時間和人力。

根據正交試驗設計原理,將藥型罩錐角α、藥型罩質量m和罩頂藥高h分別作為本次試驗設計的3個因素(A、B、C),因素A藥型罩錐角(48°～50°),因素B藥型罩質量(45～50g)和因素C罩頂藥高(6～8 mm)。設計的正交試驗見表1(以上因素參數根據前期試驗和數值模擬所得)。

表1 孔徑分析不同因素水平表

(1)

(2)

(3)

式中,τ為模擬套管孔徑穩定性,%。

表2 各方案穿孔孔徑參數

2 結果分析

對比表2中9組數據,第2組數據孔徑均值和孔徑穩定性最高,由此可得到該試驗各因素組合中的最優組合為A1B2C2。根據表3數據,通過R值的大小可以得出該試驗因素存在明顯順序,3種影響因素強弱關系為A>B>C,即影響等孔徑射孔彈孔徑穩定性的主要因素是藥型罩錐角,其次是藥型罩質量、罩頂藥高。

表3 試驗結果分析表

A因素中影響最大的是A1,即藥型罩錐角48°;相對其他角度,當藥型罩質量和裝藥厚度不變時,藥型罩錐角增大有利于孔徑均值提高,導致孔徑穩定率變化較大,當藥型罩錐角為48°時孔徑穩定性最佳。

B因素中影響最大的是B2,即藥型罩質量48 g;當藥型罩錐角和裝藥厚度不變時,藥型罩質量增大有利于孔徑均值提高,導致孔徑穩定率也逐漸提升,但變化率較低,到48 g時孔徑穩定性最佳。

C因素中影響最大的是C2,即罩頂藥高7 mm;當藥型罩錐角和藥型罩質量不變時,裝藥厚度孔增大有利于孔徑均值提高,導致孔徑穩定率也逐漸提升,但變化率低,到7 mm時孔徑穩定性最佳。

根據孔徑穩定性變化率可以發現,等孔徑射孔彈模擬裝槍在不同含水槍套間隙穿鋼靶試驗中,影響射孔性能最大的因素是藥型罩錐角角度,48°最佳;其次是藥型罩質量,48 g最優;最后是罩頂藥高,7 mm最優。

3 試驗驗證

采用最優射孔彈方案進行地面模擬裝槍穿API柱狀混凝土靶,針對不同槍套間隙,穿孔孔徑結果見圖4,試驗數據見表4。

圖4 試驗結果圖

由表4可知,102型等孔徑射孔彈,穿深大于1 000 mm,射孔后在套管上平均孔徑為15.5 mm,由式(3)計算可知,孔徑穩定性為98.3%。綜合地面模擬裝槍穿API柱狀混凝土靶試驗數據,102型等孔徑射孔彈射在各個相位上的孔徑相差不大,孔徑穩定性好。

表4 102型等孔徑射孔彈模擬裝槍穿柱狀混凝土靶 試驗數據

4 結 論

本文結合正交優化試驗方法分析影響102型等孔徑射孔彈穿孔穩定性的影響因素,并對102型等孔徑射孔彈最優組合進行試驗驗證。

(1)采用同種殼體結構、裝藥量和藥型罩配方相同的條件下,利用正交試驗法得出數據,分析可知,各因素對等孔徑射孔彈模擬裝槍在不同含水間隙孔徑影響的次序由高到低是藥型罩錐角、藥型罩質量和罩頂藥高。

(2)試驗可知102型等孔徑射孔彈的最佳設計方案:藥型罩錐角為48°、藥型罩質量為48 g、罩頂藥高為7 mm。

(3)通過102型等孔徑射孔彈模擬裝槍穿柱狀API混凝土靶試驗,驗證了最優組合下,平均穿孔孔徑為15.5 mm,孔徑穩定性為98.3%。