自清潔動態(tài)負壓射孔技術(shù)研發(fā)及應用

杜杲陽，徐立前，張虎，田波，王朝輝，李明飛

1.廣東南油服務有限公司天津東疆保稅港區(qū)分公司（天津 300456）

2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司（深圳 518067）

3.中海油田服務股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部深圳作業(yè)公司（深圳 518067）

4.中海油田服務股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部塘沽作業(yè)公司（天津 300308）

5.西安石油大學機械工程學院（陜西西安 710065)

0 引言

應用射孔器材的首要目的是提供套管井或裸眼井與儲層之間的有效流體流動通道。為了獲得這樣的通道，射孔器射出一組孔眼，穿過套管和水泥環(huán)進入儲層[1-3]。儲層流體通過這些孔眼流出的難易程度取決于一些相互影響的復雜因素，孔眼內(nèi)雜質(zhì)越少，儲層流體流出越容易，油井產(chǎn)能越高。但形成孔眼的射孔過程會損害油氣層，儲層流體流出越困難，油井產(chǎn)能越低。射孔表皮系數(shù)[4]被用以描述射孔對油氣層的傷害程度，它的影響因素主要有：孔眼幾何形狀、射孔環(huán)境和地層性質(zhì)。孔眼幾何形狀一般用射孔密度、相位角、孔眼穿透深度及直徑這4個參數(shù)描述[5]，而這些參數(shù)很大程度上是由操作人員控制的。射孔環(huán)境如圖1 所示，由于鉆井和固井作業(yè)中的泥漿侵入，或者地層被細小的顆粒堵塞，井眼周圍會出現(xiàn)滲透率減小的區(qū)域。另外，由于泥漿的侵入作用，射孔孔眼周圍會出現(xiàn)一個滲透率下降的區(qū)域。負壓射孔或動態(tài)負壓射孔可以在較大程度上增加孔眼清洗作用。地層性質(zhì)是指地層物理性質(zhì)和原狀地層應力條件，會對射孔器穿透深度與孔眼周圍地層壓裂的程度和范圍造成影響。地層滲透率和流體性質(zhì)很大程度上決定了流過孔眼的流體有效清潔孔眼所需要的壓差能級。

圖1 射孔孔眼周圍示意圖

聚能射孔爆轟形成的金屬射流會在形成孔道的同時形成射孔破壞區(qū)域（壓實帶），射孔破壞區(qū)域是射孔損害最重要的部分，包括粉碎區(qū)、顆粒壓縮區(qū)和滲透率下降區(qū)。在靠近射孔孔眼3～5 mm 處，會形成壓實帶，滲透率大幅降低；在射孔孔眼周圍10 mm處，會形成滲透率約為原始滲透率7%～20%的破碎壓實帶區(qū)。聚能射孔會使地層的平均表皮系數(shù)增大，直接導致射孔井的產(chǎn)能降低[6-8]。

為解決聚能射孔爆轟會形成壓實帶，進而損害油氣層這一問題，近年來研究學者提出了復合射孔、動態(tài)負壓射孔等工藝[9-10]，均取得了較好的效果，但由于射流沖擊壓力巨大，壓實帶解除效果一般；同時隨著配套器材的增加，也相應增加了射孔作業(yè)的費用、難度和風險。新型自清潔射孔技術(shù)則消除了它的影響：在金屬射流形成孔眼的同時，含能材料會隨即在孔道內(nèi)發(fā)生反應，從而產(chǎn)生大量的熱量和氣體，這些熱量和氣體會快速流向井筒內(nèi)部，在將孔道內(nèi)雜質(zhì)攜帶清除的同時，會在孔道末端形成裂縫，達到清潔射孔并提高導流能力的目的[11-12]。

1 動態(tài)負壓射孔技術(shù)的實現(xiàn)原理

動態(tài)負壓射孔技術(shù)是一種射孔后瞬間在井筒內(nèi)形成相對負壓的方法，在射孔后降低井筒壓力，產(chǎn)生動態(tài)負壓差，形成流向井筒的快速回流，以此沖洗孔道及壓實帶，解除射孔污染。動態(tài)負壓射孔與常規(guī)射孔壓力-時間（P-T）曲線對比如圖2所示。通過在射孔過程中形成合理的動態(tài)負壓值，可以使井筒內(nèi)動態(tài)負壓持續(xù)時間增長[13-14]，以此更好地清理孔道內(nèi)的雜質(zhì)，從而實現(xiàn)儲層與井筒更好地流通，大幅降低近井帶區(qū)域的滲透幾率。

圖2 動態(tài)負壓射孔與常規(guī)射孔壓力-時間（P-T）曲線對比圖

自清潔射孔技術(shù)則是采用自清潔射孔彈射孔，射孔彈采用的是含能材料藥型罩,射孔射流示意圖如圖3 所示。射孔彈爆轟形成金屬射流，在油氣層內(nèi)侵徹出孔道的數(shù)毫秒內(nèi)，含能材料在孔道內(nèi)發(fā)生二次爆炸，釋放大量的熱量和氣體，使孔道內(nèi)壓力增大，這些熱量和氣體會快速流向井筒內(nèi)部，以此對壓實帶進行沖洗[15]，改善壓實帶地層特性，同時清除孔道內(nèi)的巖石碎屑和金屬粉末，并在孔道末端形成裂縫，提高孔道導流能力。

圖3 自清潔射孔彈射流示意圖

將常規(guī)射孔彈和自清潔射孔彈進行貝雷砂巖靶流量測試對比實驗，兩種射孔彈射孔孔道如圖4 所示。由圖4可見，與常規(guī)射孔彈相比，自清潔射孔彈射孔孔道內(nèi)未見明顯碎屑，孔道更加清潔，孔道末端有明顯枝狀裂縫，孔道孔容明顯增加，孔道流量更大。

圖4 常規(guī)射孔彈與自清潔射孔彈射孔孔道對比圖

“動態(tài)負壓+自清潔”射孔實現(xiàn)了對射孔孔道的二次抽吸，消除了射孔壓實，大大降低了對地層的傷害。同時具有以下優(yōu)點：

1）“動態(tài)負壓射孔+自清潔”射孔器將更加充分地解除射孔壓實及清潔彈道，解決因射孔壓實傷害在總表皮的高負面權(quán)重。

2）該工藝方法風險小（負壓自清潔射孔降低液面的井噴風險，動態(tài)負壓液面安全范疇更廣），投入相對較小，油氣井產(chǎn)能效果好。

2 自清潔射孔彈的研制

2.1 自清潔射孔彈的結(jié)構(gòu)設計

射孔彈主要由3部分組成：金屬殼體、藥型罩和高能炸藥，如圖5 所示。聚能裝藥結(jié)構(gòu)設計是深穿透射孔彈研究過程中的一個重要環(huán)節(jié)。當裝藥結(jié)構(gòu)確定之后，射孔彈內(nèi)腔形狀和幾何尺寸、藥型罩開口口徑和外錐角、裝藥量和炸藥的分布，甚至炸高都隨之確定。因此，裝藥結(jié)構(gòu)的研究一直是射孔彈研究過程中首先考慮的關鍵問題。提高炸藥有效利用率是設計裝藥結(jié)構(gòu)的主旨，同時結(jié)合深穿透的要求，考慮藥型罩的具體幾何形狀、頂部裝藥量以及有效藥量，達到提高射流頭部速度的目的。

圖5 射孔彈主要部件

聚能藥型罩是射孔彈的核心部分，射孔爆轟時形成金屬射流侵徹出孔道，其結(jié)構(gòu)將直接影響金屬射流的形態(tài)以及侵徹效果。在設計時，主要應確定藥型罩幾何形狀、錐角、壁厚以及合適的材料和壓制成型工藝。在藥型罩的結(jié)構(gòu)上需根據(jù)射流梯度進行合理設計，該自清潔射孔彈采用獨特的裝藥結(jié)構(gòu)，提高了射孔彈的聚能效果；采用特殊多錐藥型罩形狀，提高了射孔彈的射流速度和速度梯度，改善了射孔彈的侵徹效果。

2.2 自清潔射孔彈的試驗效果及分析

為驗證自清潔射孔彈射孔效果，進行自清潔射孔彈與常規(guī)深穿透射孔彈砂巖靶地面對比實驗。自清潔射孔彈型號SDPR45RDX39-2，藥型罩中添加兩種釋能材料，裝藥量39 g。測試起爆后砂巖靶中壓力-時間（P-T）曲線，如圖6所示。由圖6可見，自清潔射孔彈不僅在爆炸初期產(chǎn)生了一個高的壓力峰值，還在一定間隔時間后形成了一次低的壓力峰值，而這一低的壓力峰值則是二次反應回涌導致的。

圖6 起爆后壓力-時間（P-T）曲線

表1為常規(guī)深穿透射孔彈與自清潔射孔彈射孔參數(shù)對比，圖7 為常規(guī)深穿透射孔彈與自清潔射孔彈孔道對比圖。對圖7中常規(guī)深穿透射孔彈與自清潔射孔彈穿深、流量及孔容進行測量，測量結(jié)果見表1。由表1可見，SDPR自清潔射孔相比常規(guī)射孔，射孔孔道更加清潔，射孔后孔道的孔容和流量分別提高了110.9%和17%。

表1 常規(guī)深穿透射孔彈與自清潔射孔彈參數(shù)對比表

圖7 常規(guī)深穿透射孔彈與自清潔射孔彈孔道對比圖

3 自清潔射孔彈的現(xiàn)場應用

3.1 使用區(qū)塊的儲層巖石和流體特性分析

油田位于中國南海珠江口盆地北部坳陷帶西南緣恩平凹陷南部隆起斷裂帶，主要油層位于韓江組，油層埋深-938.2～-1 569.3 m。儲層巖性以長石石英細砂巖為主；砂巖成份主要為石英，以孔隙式膠結(jié)類型為主，固結(jié)性差，屬于疏松砂巖。屬于三角洲前緣沉積，儲層物性相對較好。測井解釋孔隙23.7%～33.7%，滲透率（130.3～1 243.1）×10-3μm2，屬于中～高孔隙度、中～高滲透率儲集層；泥質(zhì)含量10%～18%，含量較高。原油性質(zhì)較差，為高密度、高黏度和低含硫的重質(zhì)稠油，地面原油密度0.948～0.956 g/cm（320℃），地層原油黏度111.18～277.77 mPa·s。

該井為定向生產(chǎn)井，完鉆井深3 232 m，垂深1 235.6 m，水深95 m（平均海平面），如圖8所示，油藏高點埋深2 049～2 077m，韓江組；正常壓力系數(shù)（壓力梯度0.97 MPa/100 m）。

圖8 南海某井井身結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 自清潔射孔工藝設計及射孔器材選擇

1）自清潔射孔工藝設計。采用自清潔射孔技術(shù)+電纜動態(tài)負壓射孔，P-T監(jiān)測儀實時監(jiān)測。根據(jù)地層GR 曲線進行校深定位；電纜射孔管串：電纜頭GRCCL電纜點火頭射孔槍動態(tài)負壓槍P-T 監(jiān)測儀。

2）射孔器材選擇。射孔參數(shù)選擇：①自清潔型射孔彈：最大限度的降低射孔壓實，提高射孔效果。②深穿型透彈：孔眼穩(wěn)定好，穿透污染帶，發(fā)揮油層本身的滲流能力。③較大孔徑型射孔彈：增大流通面積，減小壓降。

根據(jù)244.475 mm(95/8″)套管以及井溫，火工品采用常溫等級及以上火工品。射孔槍：選用177.8 mm(7″)射孔槍，40 孔/m，相位45°/135°。射孔彈：選用177.8 mm(7″)常溫自清潔射孔彈SDPR45RDX39-2，藥型RDX 裝藥量39 g；穿深1 384 mm，孔徑10.7 mm，耐溫120 ℃/48 h。導爆索：選用常溫導爆索（80RDX XHV）；0.26 谷/mm（80 谷/英 尺）；耐 溫120 ℃/48 h。

3.3 自清潔動態(tài)負壓射孔技術(shù)應用效果

在射孔段2 616～3 142.3 m，段內(nèi)分3層射孔，3趟電纜，共實射5.3 m，射孔參數(shù)見表2。

表2 自清潔動態(tài)負壓射孔參數(shù)表

以層位1為例，由圖9、圖10及表3可以看出，自清潔動態(tài)負壓射孔負壓作用明顯。①射孔層位靜壓29.7 MPa，射孔彈爆轟最高壓力49.7 MPa，自清潔產(chǎn)生的微壓裂及清潔孔道最高壓力19.9 MPa，動態(tài)負壓最低點壓力值9.7 MPa，最大負壓差18.2 MPa。②動態(tài)負壓作用從射孔起爆后爆轟壓力達到最高峰值時間18 632 910 ms（5 h 10 min 32 s 910 ms）后3 ms（18 632 913 ms）開始產(chǎn)生，符合動態(tài)負壓做功的有效時間段（100 ms 以內(nèi)），動態(tài)負壓持續(xù)時長585 ms。③射孔彈爆轟最高點與自清潔射孔做功最高點時差31 ms。④溫度場變化情況：射孔后溫度從124.15 ℃升至125.35 ℃，后隨射孔槍上提而下降,持續(xù)時間250 s。

表3 層位1壓力溫度曲線數(shù)據(jù)分析表

圖9 層位1壓力-時間曲線

圖10 層位1溫度-時間曲線

3.4 曲線數(shù)據(jù)分析表

該技術(shù)成果在南海東部油井開發(fā)射孔中首次應用一舉成功。數(shù)據(jù)表明，自清潔射孔和動態(tài)負壓作用明顯，該井自清潔產(chǎn)生的微壓裂及清潔孔道最高壓力19.9 MPa，動態(tài)負壓最低點壓力值9.7 MPa，最大負壓差18.2 MPa，動態(tài)負壓持續(xù)時長585 ms。措施前日產(chǎn)液5 300 桶（1 桶=0.159 m3），含水91%，日產(chǎn)油470 桶；措施后日產(chǎn)液5 400 桶，含水85.5%，日產(chǎn)油787桶，作業(yè)效果明顯。

4 結(jié)論與建議

1）自清潔射孔技術(shù)的形成不依賴巖石類型的干凈的、開放射孔孔道，每個射孔孔道進行自己的清潔行動，獨立于其他射孔，造成接近100%孔道清理并在油藏和井筒之間形成一個理想的通路。而動態(tài)負壓射孔技術(shù)在射孔后數(shù)毫秒內(nèi)形成相對負壓，降低了井筒壓力，產(chǎn)生動態(tài)負壓差，從而形成快速沖擊回流，沖洗射孔孔道及壓實帶，消除射孔污染，作用時間長。

2）“自清潔+動態(tài)負壓”射孔工藝實現(xiàn)了對射孔孔道的二次抽吸，充分解除射孔壓實并清潔了彈道，解決了因射孔壓實傷害在總表皮的高負面權(quán)重問題。

3）該工藝采用自清潔射孔彈，開孔造負壓裝置，作業(yè)簡捷、風險小，投入相對較小，提高油氣井產(chǎn)能效果好。

4）自清潔動態(tài)負壓射孔技術(shù)在南海油田東部的成功應用，為南海油田常壓儲層后續(xù)的射孔作業(yè)提供了數(shù)據(jù)支撐及技術(shù)儲備。