復(fù)合射孔檢測技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

李東傳,金成福,劉權(quán)民,余海鷹

(石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,黑龍江大慶163853)

復(fù)合射孔檢測技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

李東傳,金成福,劉權(quán)民,余海鷹

(石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,黑龍江大慶163853)

介紹了復(fù)合射孔技術(shù)的原理及檢測技術(shù)的現(xiàn)狀。為了保證復(fù)合射孔器的安全性、可靠性和有效性,需檢測它的耐溫性能、耐壓性能、穿孔性能、破壞性及做功能力。目前常用的檢測技術(shù)有地面混凝土靶射孔試驗、地面抗爆試驗、井下動態(tài)測試、地面復(fù)合射孔單元測試和地面1 m復(fù)合射孔器測試技術(shù)。結(jié)合油田現(xiàn)場對復(fù)合射孔器性能的要求,提出了地面動態(tài)測試技術(shù)、耐溫耐壓檢測技術(shù)、檢測技術(shù)與優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合及檢測技術(shù)標準化等復(fù)合射孔器檢測技術(shù)的發(fā)展方向。

復(fù)合射孔;火藥;檢測技術(shù);標準化;發(fā)展趨勢

0 引 言

國內(nèi)外均有聚能射器檢測的標準[1-2],中國采用第三方監(jiān)督檢驗的方式來控制產(chǎn)品質(zhì)量,國外一般采用API產(chǎn)品認證的方式來檢驗產(chǎn)品質(zhì)量。由于復(fù)合射孔技術(shù)起步相對較晚,到目前為止沒有針對復(fù)合射孔器的行業(yè)標準或國家標準。各生產(chǎn)廠家、用戶為了控制產(chǎn)品質(zhì)量各自采用不同的質(zhì)量標準,中國生產(chǎn)廠、用戶研究了各種試驗方法來評價產(chǎn)品質(zhì)量,國外各生產(chǎn)廠家在加工工藝和單一產(chǎn)品上下功夫,并在施工前采用優(yōu)化設(shè)計,施工過程中采用過程監(jiān)控,施工后進行結(jié)果分析,以此保證施工作業(yè)的質(zhì)量[3]。

近年來,隨著復(fù)合射孔技術(shù)的推廣應(yīng)用,更加重視復(fù)合射孔器材的質(zhì)量,中國的射孔器材質(zhì)檢機構(gòu)、復(fù)合射孔器材生產(chǎn)廠家都在嘗試對復(fù)合射孔器的各項產(chǎn)品性能進行檢驗,并取得了一定的成果。

1 復(fù)合射孔機理

復(fù)合射孔是利用火藥和炸藥兩者具有數(shù)量級之差的反應(yīng)速度實現(xiàn)的。雷管引爆導爆索,導爆索引爆聚能射孔彈,聚能射孔裝藥首先以微秒級的時間在井筒與地層之間形成射孔通道,同時也形成了射孔損害帶[4]。聚能射孔彈爆轟的同時也點燃了火藥,火藥裝藥隨后以毫秒級的時間產(chǎn)生燃氣脈沖,以沖擊加載的形式沿射孔通道擠壓地層。一般認為當射孔孔道內(nèi)的高能氣體壓力超過地層破裂壓力1.2倍以上才能對地層產(chǎn)生有效作用,峰值壓力越高,產(chǎn)生的裂縫越長,對地層的作用效果越好,但它不能超過套管的極限抗壓強度,否則將損壞套管[5]。

機理研究的主要方向有,①裂縫產(chǎn)生機理研究。李文魁等人研究了高能氣體壓力與裂縫的關(guān)系,得出了模擬巖心靶在不同圍壓及加載速率下,高能氣體壓裂可產(chǎn)生2～5條徑向裂縫[6];C W W ieland等人研究了推進劑生產(chǎn)的裂縫特點[7]。②井下壓力描述。復(fù)合射孔器射孔數(shù)值研究及高能氣體壓裂過程,控制高能氣體的作用效果和井筒內(nèi)壓力波動對套管、水泥環(huán)性能的影響。建立井筒條件下氣體壓力曲線與火藥藥量、結(jié)構(gòu)、裝配方式和對應(yīng)關(guān)系與井下作用效果的關(guān)系。目前國外已給出了Stim gun[8]的優(yōu)化設(shè)計軟件,中國的生產(chǎn)廠、用戶也正在研究適合自己產(chǎn)品的復(fù)合射孔優(yōu)化設(shè)計軟件。

2 檢測技術(shù)現(xiàn)狀

為保證復(fù)合射孔器的安全性、可靠性和有效性,需檢測其耐溫性能、耐壓性能、穿孔性能、破壞性及作功能力。常用的檢測技術(shù)主要分3個方面。

2.1 地面混凝土靶射孔試驗[1]

按標準要求制作混凝土靶(Φ5 m×1.1 m或Φ6 m×1.1m),試驗時將裝配好的1 m復(fù)合射孔器放入套管內(nèi),居中放置,注滿清水(模擬射孔液)后進行射孔試驗。以評價其安全性能、損害情況和作用效果。

安全性能包括槍體是否有橫向裂紋、槍頭和槍尾是否脫落;損害情況包括射孔槍上孔眼處裂紋、射孔槍外徑脹大、套管內(nèi)毛刺高度;作用效果包括在套管上產(chǎn)生的穿孔率及在混凝土靶上產(chǎn)生的裂縫長度、裂縫寬度、裂縫數(shù)量。由于試驗方法存在3個缺陷,①只是定性檢驗,而不能定量檢驗;②無法對比2種復(fù)合射孔器性能的優(yōu)劣;③制作大直徑混凝土靶浪費大量材料,且廢靶處理困難等,目前已很少使用。

2.2 地面抗爆試驗[9]

地面抗爆試驗與地面混凝土靶射孔試驗方法相似,只是試驗?zāi)康牟煌?地面抗爆試驗主要檢測射孔槍變形量、穿孔參數(shù)、火藥量選取及各接頭的螺紋和密封面受沖擊載荷后狀態(tài)等參數(shù)。因此,試驗時使用的混凝土靶直徑較小,有些生產(chǎn)廠為了降低成本甚至選用雙層套管來代替混凝土靶。

2.3 井下動態(tài)測試技術(shù)

射孔作業(yè)時將復(fù)合射孔器與測試儀器連接,主要記錄聚能射孔過程和增效射孔氣體壓裂過程中的壓力隨時間變化曲線。測試儀器一般由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲電路、電源、外部保護套筒等部分構(gòu)成,是一套存儲式數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng),能夠自動記錄射孔作業(yè)過程中井下爆炸燃燒瞬間的各項參數(shù),對射孔和增效射孔的施工設(shè)計、過程分析和效果評價起到非常重要的作用。國內(nèi)外均使用高速壓力記錄儀[10-11]記錄井下的壓力波動,記錄儀一般可記錄復(fù)合射孔器產(chǎn)生的壓力、溫度和加速度等參數(shù)。

2.4 地面復(fù)合射孔單元測試技術(shù)

地面設(shè)備測試復(fù)合射孔器的壓力峰值及壓力隨時間變化曲線。選取復(fù)合射孔器的1個射孔單元[9](1發(fā)射孔彈和1個內(nèi)置火藥盒)或4個復(fù)合射孔器單元[12]在其相匹配的模擬套管試驗裝置中,試驗用靶可以是混凝土靶,也可以是砂巖靶或鋼靶,測試槍內(nèi)及環(huán)空動態(tài)壓力變化過程,評價火藥的性能或復(fù)合射孔器的能力。

2.5 地面1 m復(fù)合射孔器測試技術(shù)及其他輔助測試技術(shù)

將1 m復(fù)合射孔器放在混凝土靶的套管(封閉下端)中,在套管上部露出混凝土部分安裝壓力傳感器,封閉套管上部,測試套管內(nèi)動態(tài)壓力變化過程。也可用雙層套管代替混凝土靶,雙層套管中間澆注混凝土并封固,套管側(cè)面非射孔方向安裝壓力傳感器,測試套管內(nèi)動態(tài)壓力變化過程[13],以評價復(fù)合射孔器的能力。

輔助測試技術(shù)指測試影響復(fù)合射孔器或組件溫度、壓力等性能的指標的測試技術(shù)。包括復(fù)合射孔槍耐溫耐壓測試技術(shù)[1]以及配套雷管、導爆索耐溫(或外置式組件的耐溫耐壓)測試技術(shù)[14-15]等。

3 油田現(xiàn)場對復(fù)合射孔器性能的要求

油田常用的復(fù)合射孔器可分為內(nèi)置式和外置式2大類。還可細分為分體式、一體式、外套式、二次增效、對稱式、雙復(fù)式等[15]。復(fù)合射孔器一般應(yīng)用于井深1 000～5 000 m的薄差油層,井溫一般在50～150℃、井壓一般在20～200 M Pa的條件下。射孔時只有當產(chǎn)生的氣體大于某一壓力值時才能在孔道壁形成裂縫[4],從而改善孔道周圍的導流能力。因此,油田現(xiàn)場要求復(fù)合射孔器應(yīng)具有良好的耐溫、耐壓、安全性能和做功能力。

4 檢測技術(shù)發(fā)展方向

4.1 耐溫耐壓檢測技術(shù)

復(fù)合射孔器和外置式火藥在井下直接接觸射孔液,同時受到溫度和壓力的作用,目前還沒有同時模擬溫度、壓力條件進行檢測的技術(shù),因此須研究復(fù)合射孔器或至少是火藥模擬溫度、壓力條件進行檢測的技術(shù)。

4.2 地面動態(tài)測試技術(shù)

利用動態(tài)測試技術(shù)可以掌握復(fù)合射孔器產(chǎn)生的壓力的動態(tài)特征,判斷其安全性和做功能力。井下動態(tài)測試時,由于高速壓力記錄儀所安裝的位置與射孔孔眼的位置有一定的距離,其結(jié)果與實際壓力有一定誤差。室內(nèi)動態(tài)測試時,傳感器的位置與射孔孔眼位置十分接近,但由于模擬條件與井下條件尚有差別,無法確定室內(nèi)測試結(jié)果與實際壓力一致程度,也無法建立其與井下測試結(jié)果間的關(guān)系,限制了室內(nèi)結(jié)果的應(yīng)用范圍。因此須研究確定室內(nèi)動態(tài)測試結(jié)果、井下動態(tài)測試結(jié)果與井下射孔孔眼實際壓力的關(guān)系,建立地面動態(tài)測試結(jié)果與井下動態(tài)測試結(jié)果的關(guān)系,以便更好地評價產(chǎn)品質(zhì)量。

4.3 檢測技術(shù)與優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合

復(fù)合射孔器檢測的目的是了解產(chǎn)品質(zhì)量和性能;優(yōu)化設(shè)計的目的是在掌握產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上通過更合理的設(shè)計、施工以獲得更好的增產(chǎn)效果。應(yīng)用地面測試結(jié)果、復(fù)合射孔器參數(shù)、油層參數(shù)預(yù)測復(fù)合射孔器在井下的作用效果,以指導設(shè)計、施工,通過井下動態(tài)檢測技術(shù)監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計的效果[16]。

4.4 檢測技術(shù)標準化

復(fù)合射孔器材生產(chǎn)廠家眾多,不同生產(chǎn)廠的檢測技術(shù)各有側(cè)重且試驗條件、技術(shù)水平差別很大,因此各生產(chǎn)廠給出的檢測沒有可比性,這不利于用戶選擇,也不利于各廠家之間的交流。為進行一步促進復(fù)合射孔技術(shù)的發(fā)展,規(guī)范市場,應(yīng)使檢測技術(shù)標準化。

5 結(jié)束語

復(fù)合射孔檢測過程中應(yīng)加強數(shù)據(jù)記錄工作,并將得到的大量不同巖石特性、不同井況、不同火藥參數(shù)的 p-t曲線進行作業(yè)過程分析和效果評價,以便建立地面動態(tài)測試結(jié)果與井下動態(tài)測試結(jié)果的關(guān)系,開展檢測技術(shù)與優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合工作,將復(fù)合射孔檢測技術(shù)更好地開展起來。

[1] GB/T 20488-2006油氣井聚能射孔器材性能試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2006.

[2] APIRecommended Practice 19B,Recommended Practices fo r Evaluation of Well Perforators[S].2版. 2006.

[3] 王艷萍,黃寅生,潘永新,等.復(fù)合射孔技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢[J].爆破器材,2002,31(3):30-33.

[4] Pucknell J K,Behrmann L A.An Investigation of the Damaged Zone Created by Perforating[C] ∥SPE22811-MS,1991.

[5] 趙開良,吳永清,魏永剛.復(fù)合射孔器效能監(jiān)測、對比分析及優(yōu)化[J].測井技術(shù),2007,31(1):66-71.

[6] 李文魁,吳宏利,趙蔚.高能氣體壓裂技術(shù)試驗研究[J].鉆采工藝,1997,20(6):34-37.

[7] Wieland CW,M iskimins J L,Black A D,et al.Results of a Labo rato ry Propellant Fracturing Test in a Colton Sandstone Block[C]∥SPE 102907-MS,2006.

[8] 郭廷亮,陳鋒,袁吉誠,等.Stimgun外套式復(fù)合射孔器在塔里木QLO×井的應(yīng)用 [J].測井技術(shù),2005,29 (3):253-255.

[9] 張國桉.復(fù)合射孔器產(chǎn)品質(zhì)量控制方法[J].測井技術(shù),2005,29(增刊):17-19.

[10]劉河秀,鄭長建,索明武.p-t儀的應(yīng)用與發(fā)展[J].油氣井測試,2002,11(4):69-70.

[11]袁吉誠,羅宏偉,朱涵超.復(fù)合射孔器檢測容器探討[J].測井技術(shù),2007,31(1):72-75.

[12]Schatz J F,Haney B L,Ager SA.High-speed Dow nhole Memory Recorder and Software Used to Design and Confirm Perfo rating/Propellant Behavio r and Formation Fracturing[C]∥SPE 56434-MS,1999.

[13]李東傳,金成福,余海鷹.復(fù)合射孔器射孔后環(huán)空壓力分布試驗研究[J].爆破器材,2009,38(1):38-40.

[14]GB/T 6273-2008油氣井用電雷管檢測方法[S].北京:石油工業(yè)出版社,2008.

[15]SY/T 6411.2-2008油氣井用導爆索通用技術(shù)條件及檢驗方法第2部分:檢測方法[S].北京:石油工業(yè)出版社,2008.

[16]劉河秀,張偉民.增效射孔工藝技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].測井技術(shù),2003,27(5):437-440.

Statusand Trend of Compound Perforation Test Technology

L IDongchuan,JIN Chengfu,L IU Quanmin,YU Haiying
(Perforator Inspection Center of PetroChina,Daqing,Heilongjiang 163853,China)

Introduced are the p rinciple of compound perforation technology and the p resent situation of its test technology.In order to ensure security,reliability and effectiveness of the compound perforator,it is necessary to test the perforator’s temperature,p ressure,perforation,destructiveness and work performance.Now adays,f requently-used test technologies are ground concrete target perfo rating test,ground anti-exp losion test,underground dynamic test,ground composite perforating unit test and ground 1 m composite perforator test.Put forward are 4 development directions for the compound perforator test technology w ith considering oil field app lications:ground dynam ic test,temperature-p ressure test,com bination of test technology and optimal design,and standardization of test techno logy,etc.

compound perforation,exp losive,test technology,standardization,development trend

TE257.1 文獻標識碼:A

李東傳,男,1969年生,高級工程師,工程碩士,現(xiàn)從事射孔器材檢驗工作。

2010-12-13 本文編輯 王小寧)