超高溫條件下射孔彈優選及關鍵參數優化

肖 波 ,孫龍波,劉賢玉,鄧華根,謝茂成

(1.中海石油(中國)有限公司海南分公司,海口 570100;2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東 湛江 524057;3.海油發展(澄邁)能源技術有限公司海南分公司,海口 570100)

文昌某油氣田平均孔隙度為6.4%～15.5%,平均滲透率為0.27～22.33 mD,儲層物性差,屬于中低孔、中低滲-特低滲儲層。射孔技術溝通儲層與生產通道,是該油氣田釋放產能的有效途徑,但氣藏埋藏深達4 000 m、井底最高溫度達160 ℃,射孔火工品選擇受限,下井器材的耐溫性能,特別是下井火工品必須符合高溫標準。國際高溫高壓井協會對于井底溫度大于150 ℃、井底壓力高于70 MPa稱為高溫高壓井,井底溫度大于175 ℃、井底壓力大于105 MPa為超高溫高壓井[1],目前耐熱型炸藥主要有六硝基茋(HNS)、二苦氨基二硝基吡啶(PYX)、2,6—二氨基-3,5-二硝基吡-1-氧化物(LLM-105)等,均可耐溫175 ℃以上[2-7],選擇耐溫效果好、穿孔性能佳的火工品對射孔的安全性和可靠性以及高溫高壓乃至超高溫高壓油氣藏的開發至關重要。

目前對于射孔彈打靶測試主要為地面常溫常壓下模擬測試[8-9],與井下實際的溫度壓力條件有著較大差異,無法真實反映射孔彈在井下實際工況下的射孔效果[10],為此,通過在220 ℃下,保溫2 h,壓力20 MPa條件下開展射孔彈模擬裝槍穿柱狀API混凝土靶的性能實驗,優選出符合地層超高溫環境的射孔彈彈型及藥劑,從而指導現場生產,最終達到提高油氣產量的目的,這對于后續超高溫井射孔方案的制定和實施具有十分重要的意義。

1 射孔彈打靶實驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1、圖2所示,通過超高溫射孔實驗裝置進行相關實驗,超高溫雷管、超高溫傳爆管、超高溫導爆索均由正規廠家生產制造,耐溫指標均為220 ℃/48 h,滿足實驗要求。

注:1-槍壁厚;2-炸高;3-固定桿;4-調節環;5-導爆索;6-彈座;7-壓盤;8-射孔彈。

注:1-試驗射孔器;2-柱狀API混凝土靶。

實驗前將模擬射孔槍、射孔彈彈座、超高溫射孔彈、超高溫導爆索、超高溫雷管等部件按照要求進行裝配,其中射孔模擬槍身厚度為5 mm,模擬φ139.7 mm套管厚度為7.72 mm,φ177.8 mm套管厚度為11.51 mm,套管之間的間隙可由壓盤與靶套之間的墊片進行調整。

1.2 實驗材料

1)射孔彈。實驗選用了89型、127型射孔彈,實驗過程中槍內炸高根據廠家射孔彈裝槍計算確定,同種類型的射孔槍采用相同的套管間隙,射孔彈參數及裝槍用炸高,如表1所示[10]。超高溫射孔藥劑選用目前最常用的PYX、HNS以及LLM-105,彈藥基本參數如表2所示,其中PYX與LLM-105藥劑溫度特性較為接近,HNS藥劑的溫度特性較低[11-14]。

表1 射孔彈參數及裝槍炸高

表2 彈藥基本參數

2)柱狀混凝土靶。依據API-RP-19B標準[15]制作柱狀混凝土靶,靶齡34 d,抗壓強度45.2 MPa,射孔實驗前通過回彈儀、超聲波混凝土檢測儀監測混凝土靶的強度,判斷其是否符合實驗標準。

1.3 實驗流程

實驗過程主要包括模擬射孔器裝配、下入高溫高壓模擬井、加溫加壓、保溫、加壓起爆、降溫降壓、升井拆靶等步驟。射孔器下到模擬井后,通過控制系統對模擬井進行加溫,當溫度超過100 ℃后模擬井內逐步產生壓力,此后壓力隨著溫度的上升而逐步達到10 MPa左右,當溫度達到220 ℃后進行2 h的保溫,保溫2 h后將模擬井內壓力升至20 MPa時點火起爆,隨后開始進行泄壓降溫直至100 ℃以下。當模擬井內的溫度下降到100 ℃以下時將射孔器從模擬井內取出,然后將射孔器與測試靶拆開運輸到測量場地,最后將測試靶的靶套拆除。拆除靶套之后,將測試靶沿裂縫刨開進行穿孔深度和套管穿孔孔徑測量。

2 實驗結果分析

2.1 89型超高溫射孔彈性能對比實驗

將89型射孔彈在溫度220 ℃、壓力20 MPa的條件下進行實驗,實驗結果如圖3、圖4所示,同時用89型 LLM-105射孔彈對φ177.8 mm套管開展射孔實驗,實驗結果如圖5所示。

圖3 HNS超高溫射孔彈穿φ139.7 mm套管實驗結果Fig.3 Experimental results of HNS ultra-high temperature perforating bullet penetration φ139.7 mm casing

圖4 LLM-105與PYX超高溫射孔彈穿φ139.7 mm實驗結果Fig.4 Experimental results of LLM-105 and PYX ultra-high temperature perforating bullet penetration φ139.7 mm casing

圖5 LLM-105超高溫射孔彈穿φ177.8mm套管實驗結果Fig.5 Experimental results of LLM-105 ultra-high temperature perforating bomb penetrating φ177.8 mm casing

在220 ℃/2 h,20 MPa條件下, LLM-105裝藥的射孔彈性能優于PYX裝藥的射孔彈和HNS裝藥的超高溫射孔彈;89型超高溫射孔彈在同等試驗條件下,HNS射孔效果最差,LLM-105射孔彈較國內PYX射孔彈,穿深提高19.2%,孔徑提高33%; 較國外HNS射孔彈,穿深提高42%,孔徑提高30%,對比結果如表3所示。

表3 89型超高溫射孔彈對比實驗結果

2.2 127型超高溫射孔彈性能對比實驗

為了進一步研究在超高溫條件下LLM-105的穿孔效果,用127型超高溫射孔彈繼續開展相關實驗,射孔彈利用相同的壓制工藝,實驗結果如圖6所示。

圖6 127型超高溫射孔彈穿φ177.8mm套管對比實驗結果Fig.6 Comparative experiment results of 127 type ultra-high temperature perforating bomb penetrating φ177.8 mm casing

127型超高溫射孔彈在同等試驗條件下,LLM-105在裝藥量少的情況下,較PXY射孔彈,穿深提高32.4%,孔徑提高5%,穿孔效果好。LLM-105裝配在127型超高溫射孔彈中相比于89型射孔彈,穿深提升了128%,套管孔徑提高了4.8%,對比實驗結果如表4所示。

表4 127型超高溫射孔彈對比實驗結果

射孔效果的好壞很大程度上是根據彈藥的破甲威力而定的,主要因素為爆壓,其隨著裝藥密度和爆速的平方呈線性增長。實驗過程中采用的LLM-105的爆速和密度均最大,在其他條件相同的情況下其穿透性能更強,與實驗結果相一致,實驗過程穩定性較好,滿足現場使用的相關要求。

3 射孔關鍵參數優化

為了提高LLM-105裝藥的射孔彈的穿透性能[16-18],以其中一口井A2井為例,井身結構為φ664 mm×252.33 m+φ473.075 mm×340 m+φ339.725 mm×1 800 m+φ244.475 mm×3 978 m。該井目的層位于珠海組,珠海組各段砂巖儲層物性隨埋深增大而變差,均屬于中-低孔、低滲儲層,平均孔隙度為6.4%～15.5%,平均滲透率為0.27～22.33 mD,其中ZH1Ⅴ下氣組屬于中孔、中滲儲層,ZH2Ⅰ、Ⅲ氣組屬于低孔低-中滲儲層,ZH2Ⅶ氣組屬于低孔低滲儲層。結合地質參數,通過射孔優化軟件Wellflo對射孔參數進行敏感性分析計算,對孔密、孔徑等射孔參數進行優化,結果如圖7所示,可以看出,孔密大于30 spm時對產能影響較小;穿深大于400 mm時對產能影響較小;相位對產能影響較小,但為了保證射孔后套管保持較高強度,選擇相位45°/135°;孔徑大于等于10 mm時對產能影響較小。在現場施工射孔搶裝槍作業中,根據地質條件模擬結果,合理調整孔密、孔徑以及相位等參數,極大地釋放了產能,射孔后A2井產量為配產的2倍。

圖7 A2井射孔參數優選Fig.7 Optimization of perforation parameters in well A2

4 結論

1)同種條件下,LLM-105裝藥的超高溫射孔彈性能優于PXY裝藥和HNS裝藥的超高溫射孔彈;對于89型射孔彈和127型射孔彈,LLM-105的穿深和套管射孔孔徑都有很大提升,具有優良的射孔效果,相較于89型射孔彈,127型射孔彈的穿透效果較好。

2)LLM-105射孔彈具有槍上孔眼小、套管孔徑大的特點,這樣在射孔作業過程中,過油面積大,槍內碎屑不易從槍眼中出來,不易造成卡槍事故以及減少對井筒的污染。

3)射孔效果除了與彈藥類型有關,還與射孔槍槍型、射孔槍的孔密等相關因素有關,對相關參數進行優化,施工過程中合理調整,是提升超高溫低滲儲層射孔完井效果有效途徑,這對于超高溫低滲油氣藏安全高效的開發具有十分重要的意義。