超長層段水平井射孔補償式傳爆及防卡技術(shù)

姚志中，趙開良，張鋒，王培禹，焦建國，魏鯤鵬

（1.中原油田地球物理測井公司，河南 濮陽457001；2.西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司，陜西 西安710061；3.中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽457001）

0 引 言

水平井大都需要采用油管輸送射孔方式溝通地層和套管。對于超長層段的水平井射孔，3種因素造成射孔槍傳爆失敗和射孔管柱遇卡的風(fēng)險顯著提高。

（1）對超長層段油氣井實施油管輸送射孔，一次下井射孔槍有一百多支甚至數(shù)百支。由于多種因素影響，射孔槍傳爆可靠性較低，加之水平井要求定向射孔，射孔槍裝配完后，固彈架在槍管內(nèi)一直處于自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，增大了射孔槍傳爆失敗的風(fēng)險。

（2）水平井射孔槍為滿足自動定向要求，無法與常規(guī)射孔槍一樣預(yù)制掩埋射孔毛刺的盲孔，于是射孔后槍管外的孔眼毛刺高，特別是水平井射孔槍是“平躺”在水平套管內(nèi)，孔眼毛刺與套管孔眼鑲嵌的概率大，容易造成射孔后槍身遇卡。

（3）由于套管是水平方向，射孔后槍內(nèi)殘渣和地層內(nèi)碎屑排泄到套管與射孔槍的環(huán)形空間內(nèi)，容易造成碎屑堆積，加大了射孔槍遇卡的風(fēng)險。

本文在現(xiàn)有水平井射孔技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合普光氣田大灣區(qū)塊的地質(zhì)特點，研究應(yīng)用補償式傳爆技術(shù)和水平井射孔槍低摩擦阻力防卡技術(shù)，取得了顯著的效果。

1 補償式傳爆技術(shù)

1.1 隔板增能器結(jié)構(gòu)原理

隔板增能器是補償式傳爆技術(shù)的核心部件，它主要由隔板本體、復(fù)合裝藥、安全護帽和密封圈等4部分組成。隔板本體用金屬加工成對稱的“H”形狀，兩端的裝藥盲孔設(shè)計成漏斗狀，在2個盲孔內(nèi)對稱裝藥，均裝填由起爆藥和猛炸藥組成的復(fù)合裝藥。復(fù)合裝藥表面是安全護帽，防止裝配時對火工組件形成直接碰撞。隔板增能器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 隔板增能器結(jié)構(gòu)示意圖

由于隔板增能器設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu)，所以它具有雙向傳爆功能。任意一端接受射孔槍中的傳爆管傳遞過來的爆轟波時，該端的裝藥即被起爆，產(chǎn)生強沖擊波，并作用在隔板上，沖擊波經(jīng)隔板起爆另一端的裝藥，該端裝藥定向爆炸（類似射孔彈），產(chǎn)生爆轟波并傳遞給下一支射孔槍中的傳爆管，從而完成隔板的傳爆功能。由于其裝藥密度較一般雙向傳爆管小，隔板的起爆感度得到了提高，同時，隔板對輸出爆轟波有強力約束作用，輸出能力也得到了較大提高。由于它兼?zhèn)淞似鸨卸雀吆洼敵瞿芰姷入p重特性，因此提高了傳爆的可靠性，表現(xiàn)為空氣傳爆距離的增加和將準低爆速的爆轟波轉(zhuǎn)化為正常爆轟波的能力。既能可靠傳爆又能可靠密封的隔板厚度，漏斗狀的盲孔減輕了爆轟波對隔板的破壞，使得隔板增能器在傳爆前后都具有較高的密封性能。

1.2 補償式傳爆槍串結(jié)構(gòu)

補償式傳爆射孔槍串結(jié)構(gòu)和常規(guī)的射孔槍串主要區(qū)別是在每個傳爆接頭內(nèi)上下傳爆管的中間安裝一套隔板增能器，在射孔槍串的兩端各安裝一套起爆器和延時裝置，即采用雙向延時起爆。補償式傳爆槍串結(jié)構(gòu)見圖2，隔板增能器在傳爆接頭中工作位置見圖3。

圖2 補償式傳爆槍串結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 隔板增能器在傳爆接頭中工作位置示意圖

導(dǎo)爆索的正常爆速是5 000～8 000m／s，足以引爆射孔彈，但由于多種因素影響，它的爆速有時會降至5 000m／s以下甚至燃燒，這種情況下就不能正常引爆射孔彈，而且不能將爆轟波正常傳遞給下一級射孔槍，造成傳爆中斷或炸槍。射孔槍串采用補償式傳爆結(jié)構(gòu)，可以有效解決這一問題。它的技術(shù)原理是井口加壓使上下起爆器同時起爆，延時時間較短的延時裝置（一般安裝在槍串上端）引爆與其相聯(lián)的傳爆序列，如果導(dǎo)爆索爆速降低，傳爆接頭內(nèi)的隔板增能器受到爆轟波沖擊時，它能可靠起爆并將低爆速爆轟波提升至正常爆速；萬一傳爆中斷，隔板增能器對未引爆的射孔槍進行密封，防止井液進入未引爆的射孔槍，延時時間較長的延時裝置繼續(xù)從射孔槍串的另一端反向引爆未爆射孔槍，從而保證整串射孔槍全部引爆。隔板增能器和雙向延時起爆配套使用，可以達到爆速提升、低爆速傳爆、未爆射孔槍反向引爆三重補償效果。

2 水平井射孔槍低摩阻防卡技術(shù)

2.1 最高孔密設(shè)計

大彎區(qū)塊大厚層儲層物性差異大，為達到酸壓時各類儲層均勻布酸的目的，根據(jù)射孔優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，不同類型儲層射孔密度應(yīng)不同，Ⅲ類儲層射孔密度應(yīng)大于20孔／m。由于射孔槍空間的限制，高孔密射孔必然以減小射孔彈尺寸即犧牲穿深為代價，目前適用于102射孔槍的高指標射孔彈有DP40HMX和DP44HMX（小1m彈）2種型號。DP40HMX射孔彈在API混凝土靶上穿深720mm左右（在45號鋼靶上穿深180mm左右），彈殼外徑46～48mm。雖然可以實現(xiàn)在長度1 000mm空間內(nèi)安裝20發(fā)射孔彈，但射孔彈外殼間距低于5mm，加之彈殼壁厚較薄，彈間干擾加劇，影響穿深和孔道質(zhì)量［1］。某種DP40HMX射孔彈在20孔／m和16孔／m情況下（90°相位角）打靶結(jié)果對照見表1。

從表1可見，DP40HMX射孔彈在20孔／m情況下穿深嚴重下降，而且孔眼方向偏離，孔眼不規(guī)則，毛刺高度增大，達到5mm左右，槍身膨脹明顯，外徑脹大5～10mm；而它在16孔／m情況下打靶穿深數(shù)據(jù)穩(wěn)定，孔眼規(guī)則，毛刺高度2～3mm，槍身膨脹2～4mm。這說明DP40HMX射孔彈在20孔／m情況下彈間干擾嚴重。DP44HMX射孔彈殼體外徑達到52mm，抗彈間干擾能力強，按16孔／m裝配，彈間距還有10.5mm，根據(jù)理論計算和實驗結(jié)果，基本避免了彈間干擾的影響。

綜合以上分析，為提高穿深，降低射孔槍上提摩擦阻力和被卡的風(fēng)險，102水平井射孔槍裝配1m彈時最高密度為16孔／m。

表1 某種DP40HMX射孔彈在20孔／m和16孔／m情況下打靶結(jié)果對照表

2.2 相位角設(shè)計

對于膠結(jié)不太好的砂巖地層水平井射孔，為防止地層出砂等情況，一般要求定向射孔。對于致密的碳酸鹽巖地層，如果不存在邊水（底水）錐進，均勻螺旋布孔比較有利于獲取較好的地質(zhì)效果，但這種布孔方式會出現(xiàn)一部分孔眼方向垂直朝下或接近垂直朝下，孔眼毛刺和套管上孔眼鑲嵌的概率大，從射孔槍內(nèi)流出的射孔碎屑多，造成射孔槍上提摩擦阻力高甚至射孔槍被卡。

大彎氣田碳酸鹽巖超長井段射孔，為消除以上2項射孔槍被卡的隱患，采取定向射孔，將射孔相位角設(shè)計為上相位120°，交錯布孔（見圖4）。如此設(shè)計有3個優(yōu)點。

（1）由于重力作用，射孔碎屑不容易從射孔槍內(nèi)排出，減少了套管內(nèi)碎屑堆積。

（2）套管上孔眼位置相對較高，即使套管孔眼上存在內(nèi)毛刺，也不致于和射孔槍孔眼毛刺擦掛。

（3）水平井射孔時，相位角對地質(zhì)效果的影響較小。安永生等［2］研究結(jié)論給出低孔密射孔時（孔密小于15孔／m），180°相位角產(chǎn)量最高，優(yōu)于45°和90°相位角，由此可以推論，大彎氣田射孔密度8～16孔／m，120°相位角比較有利于提高地質(zhì)效果。

圖4 射孔孔眼相位示意圖

2.3 低碎屑射孔彈

射孔彈在穿孔作用的同時，彈殼在炸藥爆轟的強大壓強（約2GPa）作用下破裂為0.5～15mm的碎片。在水平井射孔時，因為射孔槍處于水平狀態(tài)，這種小直徑的彈殼碎片容易通過射孔槍上直徑12mm左右的射孔孔眼排到套管內(nèi)，在套管和射孔槍的環(huán)形空間堆積，引起射孔管柱上提摩擦阻力增高，甚至射孔管柱被卡，彈殼碎片也為下一步措施帶來不便和安全隱患。

低碎屑射孔彈彈殼采用20號鋼，相對常規(guī)射孔彈彈殼材料45號鋼的延伸率和斷面收縮率均提高近40%，有利于延緩碎片的形成；借鑒軍用手榴彈殼體表面增設(shè)網(wǎng)狀預(yù)置槽，在手榴彈爆炸時殼體會沿著預(yù)置槽方向破碎成若干個預(yù)定的碎片這一設(shè)計，在射孔彈殼內(nèi)腔軸向方向設(shè)置4條預(yù)置槽，彈殼碎片中的大片明顯增加，較小直徑的碎片明顯減少。低碎屑彈和小1m彈打靶數(shù)據(jù)比較見表2。

表2中可以看出，低碎屑射孔彈相對小1m彈穿孔深度降低了3.7%，但大于8mm×8mm碎片的比例由47.4%提高到82.1%。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2011年12 月至2012年2月，對普光氣田大彎區(qū)塊大彎402－1H井等4口水平井進行了射孔施工，使用外徑102mm抗硫化氫射孔槍，DP40－3低碎屑射孔彈，相位角30°、120°朝上，孔密6～16孔／m，單井最大射孔槍長度1 215.5m，最大射孔厚度941.8m，采用雙向雙效多級延時起爆和補償式傳爆技術(shù)，每3支射孔槍使用1套增能器。射孔一次成功率100%，射孔彈發(fā)射率100%（見表3）。

表2 低碎屑彈和小1m彈打靶數(shù)據(jù)比較

表3 大彎區(qū)塊4口水平井射孔施工數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 論

圖5 大灣405－1H井射孔起爆監(jiān)測曲線

大灣405－1H井射孔起爆監(jiān)測曲線見圖5。

這4口井射孔后上提管柱相對射孔前最大拉力增加20kN，射孔后摩擦阻力增加不明顯；射孔后下酸壓生產(chǎn)一體化管柱，封隔器坐封效果良好，試氣結(jié)果達到或超過了預(yù)期產(chǎn)量，地質(zhì)效果令人滿意。

（1）超長層段水平井射孔采用雙效起爆和補償式傳爆技術(shù)可有效避免射孔傳爆失敗現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）大彎區(qū)塊碳酸鹽巖地層采用102射孔槍裝配低碎屑射孔彈，120°上相位，不同儲層6～16孔／m變孔密射孔，能滿足酸壓改造要求，地質(zhì)效果好。

（3）使用低碎屑射孔彈和選擇合理射孔參數(shù)等技術(shù)措施，可有效降低超長層段水平井射孔管柱上提摩擦阻力，防止射孔后管柱遇卡。

［1］ 李東傳，金成福，劉亞芬，等.射孔彈彈間干擾消除方法初探 ［J］.測井技術(shù)，2006，30（5）：476－478.

［2］ 安永生，柳文莉，祁香文.射孔完井參數(shù)對水平井產(chǎn)量的影響 ［J］.斷塊油氣田，2011，18（4）：520－523.