海上油田新型增效射孔技術創新及應用*

2023-12-04 01:40:00林家昱韓東東余建生王寶軍

石油機械 2023年11期

韓超劉峰林家昱韓東東余建生王曉王寶軍

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司 2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司)

0 引言

渤海油田墾利16-1油田開發項目是中海油集團公司聚焦海上“低、邊、稠”油田勘探開發的重點項目，是渤海油田“新優快”鉆完井示范項目，其對后續邊際油田開發起著引領作用[1]。墾利16-1油田主要含油層系為明化鎮組、館陶組、東營組、沙河街組，開發層位跨度大，儲層非均質性強，流體性質復雜，淺部地層屬于高孔高滲儲層，物性較好，地層巖石極疏松，穩定性差易出砂；深部低孔、低滲儲層物性相對差，巖石致密，抗壓強度高，儲層滲流能力弱，提產難度大[2-3]。項目采取大斜度井和大位移井開發。大井斜造成井下射孔管柱產生偏心，在偏心射孔時，由于各相位槍套間隙不一致，使用常規射孔彈導致套管穿孔孔徑和地層孔眼穿深不均勻，增加了后續壓裂充填防砂風險，達不到預期目的。同時，射流擠壓地層成孔，容易在射孔孔道周圍形成壓實帶，影響油氣流出，射孔后往往需要放噴，淺部儲層出砂迅速，還需單獨下放噴管柱，工期增加。因此，如何高效優質地進行大斜度井射孔作業，成為該開發項目優快增產增效的關鍵[4-6]。通過技術改進，海上油田創新采用增效射孔技術清潔孔道，配合動態負壓射孔，改善射孔壓實帶，達到放噴的效果，減少單獨組下放噴管柱次數，實現了提質增效目的，可為后續海上油田大斜度井及大位移井高效射孔提供技術支撐。

1 新型增效射孔技術分析

根據墾利油田開發層跨度大，各儲層地質條件非均質性強的情況，需要考慮中高滲儲層防砂，同時又要應對低孔滲儲層改造。針對中高儲層常采用大孔徑射孔技術，而低孔滲儲層則需要采用深穿透射孔技術，配合增效技術，比如自清潔射孔、動態負壓及復合射孔等。

基于“低、邊、稠”的特點，且由于鉆井井眼軌跡復雜，射孔段斜度大，造成射孔時射孔器偏心，偏心射孔時的各向孔眼不均問題，通常采用等孔射孔技術解決。目標區塊油氣介質狀態復雜，為了應對稠油及易出砂的特點，需要采用高孔密大孔徑射孔技術來增大泄流面積，以便于后續充填防砂。

若按傳統設計，墾利區塊井可能同時需要采用高孔密大孔徑射孔彈、等孔徑射孔彈、自清潔射孔彈、深穿透射孔彈，給射孔設計和操作帶來極大不便。因此提出一種能兼顧上述要求的射孔技術，其既具有等孔徑自清潔射孔彈，又配合了合理的動態負壓設計，能夠一次射孔解決上述綜合問題。首先，現場需要一種射孔后既能在套管上形成大小一致的孔眼，同時也能實現孔道清潔的射孔技術，即等孔徑自清潔射孔技術；其次，大斜度井常規射孔會因偏心造成孔眼穿深不均勻(見圖1)，等孔徑射孔可以避免偏心射孔造成的孔眼分布不均問題，從而減少對充填質量的影響；最后，應用動態負壓射孔技術，同時射孔彈罩采用含能材料，改善壓實帶，以期達到放噴效果。

圖1 偏心造成孔眼穿深不均勻Fig.1 Uneven perforation depth caused by eccentricity

等孔徑自清潔射孔彈會產生聚能效應，炸藥爆炸后壓垮藥型罩，將藥型罩沿其表面法線方向拉伸成高速金屬射流，實現穿孔[7-8]，通過控制射流各段拉伸情況實現套管等穿孔，且保持穿深與同類型射孔彈基本一致。控制射流狀態使后半段射流拉伸減小，形成一段“短粗”射流，以用于擴孔，通過間隙時，可減小水對射流的擾動，使得套管穿孔變大且保持一致。藥型罩中加入的含能材料在射流同時進入孔道，于毫秒級時間在孔道內發生強烈釋能反應并產生大量的氣體，這些氣體直接作用在每一個孔道內部以實現射孔孔道的自清潔和負壓返涌。

2 新型增效射孔技術設計

通過改變傳統結構所形成的射孔彈藥型罩設計，應盡量減少射流擴孔及過水的壓力損失，并使藥型罩在壓垮時形成桿狀射流以保證擴孔孔徑的均一性。選用含能材料的藥型罩配方，既能實現含能材料在孔道產生強烈的放熱爆炸反應，同時又能實現炸藥能量合理分布，在保證自清潔基礎上，達到孔徑的一致性。聚能裝藥結構設計應考慮藥型罩結構及自清潔配方，以達到形成“桿狀”射流目的。自清潔射孔彈與動態負壓結合形成高效清潔射孔技術，改善壓實帶，以期達到放噴效果。

為了滿足上述設計思路的需要，針對目前常用的40孔/m射孔彈，重新開展兼容性設計驗證。通過藥型罩結構設計，調整射流穿孔形態(見圖2)，保證套管各向穿孔一致性。

圖2 常規射孔彈和等孔徑射孔彈射流示意圖Fig.2 Schematic diagram for jet flow of conventional and equal aperture perforating charges

2.1 射孔彈總體結構設計

等孔徑自清潔射孔彈主要由導爆索、射孔彈殼體、射孔彈裝藥、藥形罩組成，如圖3所示。射孔彈結構是聚能和控制射流狀態的主要因素，關鍵參數包括：頭部裝藥球冠R為12～15 mm，殼體錐角α為42°～50°，藥型罩第一錐角β為40°～50°，藥型罩第二錐角γ為60°～70°，藥型罩第三錐角δ為40°～50°。

1—導爆索；2—射孔彈殼體；3—射孔彈裝藥；4—藥型罩。圖3 等孔徑自清潔射孔彈結構圖Fig.3 Structure of equal aperture self-cleaning perforating charge

2.2 射孔彈外殼設計

射孔彈外殼直接影響著爆炸作用場，主要作用是減弱稀疏波入侵，延長藥柱爆炸對藥型罩的作用時間，提高炸藥的有效利用率及穿孔指標，滿足炸藥的定向爆轟和裝配需要。設計時需要結合射孔槍孔密及射孔彈排布方式，既要保證足夠的內腔空間，又要避免彈間干擾與機械干擾。其次優化彈殼結構，要使藥型罩獲得足夠的能量，就需要殼體有合理的結構、足夠的強度及精密的加工。殼體結構設計應與藥型罩結構相協調，以得到理想的裝藥結構及爆轟波形，從而使金屬射流的速度和質量分布合理，最終形成較長的連續穩定的射流。殼體有減弱稀疏波入侵的作用，有利于提高炸藥能量的利用率。對同一種殼體材料，殼體越厚，減弱稀疏波入侵的作用越大，但殼體厚度達到一定程度后，這種作用就不明顯了，設計合理的彈殼厚度有利于提高穿孔性能。

2.3 等孔徑射孔彈藥型罩結構和配方設計

普通大孔徑藥型罩有錐形、半球形、喇叭形、錐曲線形、拋物線形等結構。結構不同，穿孔效果也不同。根據現有射孔彈基礎數據，其中錐曲線形藥型罩，可利用其錐曲變壁厚的特點設計多種結構的等孔徑藥型罩，根據ANSYS-autodyn模擬計算以及X閃光拍照，得出藥型罩穿孔特點及擴孔形貌，通過設計計算射流在不同間隙時穿孔一致，并根據模擬結果(見圖4)及時調整設計方案。最終將模擬結果與試驗結果進行對比分析并修正，得出合理的藥型罩結構。

圖4 不同間隙條件下射流模擬計算Fig.4 Jet flow simulation calculation under different clearance conditions

根據聚能射流破甲理論及藥型罩聚能原理，藥型罩在爆轟能量作用下形成連續不斷的射流愈長，密度愈大，汽化愈少，射孔彈的穿孔深度愈深。因此，對藥型罩材料的要求是塑性好、密度大、沸點高。自清潔配方采用能夠在射流破靶時形成的“高溫高壓高應變率”區域與油氣井井壁中的水分子儲層發生劇烈化學反應的材料組成，如鐵、鋁、鋅、鎳、鉍、錫、鉛等按一定比例組成，其具有良好的延展性，與殼體的相容性，適合的強度，良好的工藝性等優點，是決定藥型罩性能的重要因素。

其次需要獲得大孔徑射孔彈的效果，通過含能藥型罩材料配方的添加，研制出滿足孔徑要求的含能藥型罩，使含能藥型罩在不影響聚能射流的前提下，在穿孔時產生強烈的放熱，增加射流能量，完成擴孔。所使用自清潔藥型罩配方，在增加孔容的同時，可有效清除射孔壓實帶的影響，對比測試添加前后結果顯示，滲透率提升15%～20%。

2.4 射孔彈藥型罩裝藥結構設計

提高裝藥密度可提高穿孔性能，同時提高壓藥分布均勻型，有利于增加射孔彈穩定性。裝藥的結構形狀對射孔彈的穿孔性能有較大的影響。其設計原則是能充分利用炸藥能量、使射流盡量拉長但不斷裂。

為了提高炸藥的利用率，將整個藥柱的體心提高，使炸藥最大限度地參與射孔作用。本方案將藥柱的兩側夾角減小，整體藥柱體心上移。導爆索將爆轟能量傳遞給傳爆孔中的射孔彈裝藥，由于傳爆孔直徑較小(3～4 mm)深度較深(4～6 mm)，爆轟波被矯正為軸對稱波形，從頭部裝藥R的頂端開始引爆整體裝藥，炸藥的爆轟波依次作用在藥型罩上，逐次驅動β、γ、δ部位藥型罩并使其做軸線運動，在軸線上發生塑性形變，經過能量傳遞和互換，重新組合成頭部速度梯度變化很小的射流和低速杵體。

2.5 高效清潔射孔技術

該技術中射孔彈采用特殊材料制成的藥型罩，這種含能材料隨聚能射流進入孔道，在孔道形成后的極短時間內產生高溫高壓氣體，將孔道壓出若干微裂縫。同時由于孔道內壓力遠大于井筒壓力，在射孔的同時其中含能材料與油氣儲層中的水等小分子物質進行高速氧化還原反應，釋放出大量高溫高壓氣體，使孔內高壓氣流快速向井筒噴射，該氣流強力沖刷孔道，破除射孔壓實帶，提升孔道滲透率，并沖走巖石碎屑和射流殘體，使孔道保持高度清潔[9-10]。

動態負壓射孔即為在射孔槍引爆時，在槍身上開出大流通孔，使井液快速流入槍內，引起井筒內壓力在射孔后瞬間下降，在射孔孔道內產生瞬間沖擊回流，沖洗射孔孔道及孔道周圍壓實帶，實現孔道的清潔及表皮系數下降的一種技術。該技術的2個最重要因素是壓降和速度。在射孔過程中達到峰值壓差時的張應力超出了損害帶巖石強度，故該區域的巖石能夠破除，在涌流沖洗作用下形成清潔孔道，孔道直徑(寬度)明顯加大，如圖5所示。該技術不僅保證了炮眼的高度清潔，還免去單獨放噴，提高了作業效率。

圖5 射孔過程壓力曲線變化及孔道徑向距離壓力強度變化Fig.5 Pressure curve change during perforating process and pressure intensity change in radial distance of the perforation channel

3 試驗研究

3.1 混凝土打靶試驗

采用環狀混凝土靶射孔試驗最終驗證等孔徑射孔彈裝配射孔槍后的射孔性能。參照API標準(Recommended Practices for Evaluation of Well Perforators：API RP 19B Section 1)進行試驗，具體參數如表1所示。

表1 自清潔射孔彈打靶試驗參數Table 1 Shooting test parameters of self-cleaning perforating charge

混凝土打靶試驗結果如圖6和表2所示。從圖6可見，相比于常規射孔彈，自清潔射孔彈射孔孔道尾端造縫效果明顯，壓實帶改善效果清晰可見，滲透率明顯提升。同時射孔孔道內壁光滑，孔道內幾乎無金屬殘留物，導流能力得以提高，射孔彈與常規超深穿透射孔彈入孔孔眼直徑相比大幅增加。射孔彈與常規超深穿透射孔彈相比，起爆后產生碎屑量大幅降低，同時孔容平均增加110.9%。

表2 自清潔射孔彈與常規超深穿透射孔彈效果對比Table 2 Comparison of effects between self-cleaning perforating charge and conventional ultra-deep penetrating perforating charge

圖6 自清潔射孔彈與常規射孔彈射孔效果對比圖Fig.6 Comparison of perforating effects between self-cleaning perforating charge and conventional perforating charge

3.2 地面包覆砂巖射孔試驗

地面包覆砂巖射孔試驗中，試驗壓力為27 MPa，對由尺寸?200 mm×800 mm(直徑×長度)的露頭天然砂巖，通過混凝土加固至?400 mm×800 mm的包覆砂巖射孔。地面包覆砂巖射孔試驗裝置如圖7所示。

1—雷管；2—導爆索；3—射孔彈；4—模擬槍內炸高；5—模擬槍身厚度；6—模擬槍套間隙；7—模擬套管厚度；8—測試靶。圖7 地面包覆砂巖射孔試驗裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of perforating test device for surface coating sandstone

根據墾利16-1油田儲層地質條件，采用單軸抗壓強度18～20 MPa的砂巖制作成?400 mm×800 mm的砂巖靶，通過射孔效能裝置進行加壓射孔試驗，驗證?114 mm等孔徑增效射孔彈的穿孔性能，觀察射孔后的流動改善情況。砂巖射孔試驗如圖8所示。從圖8可見：等孔徑增效彈孔道內表面疏松，整體粗壯；常規孔道內有壓實及孔道纖維；等孔徑增效彈孔道孔容較大，最大孔眼直徑為常規射孔彈孔道的2～3倍。通過試驗驗證該彈型在射孔后流量高于常規射孔彈，平均增加29%。并且在該強度下砂巖射孔深度達640 mm，孔徑?15.4 mm，確認了該射孔彈在實際地層中的穿孔性能。