三級裝藥多級復(fù)合射孔技術(shù)研究

李作平，孫憲宏，謝陽平，石瑩，紀松，胡俊毅

（1.大慶油田采油二廠，大慶 黑龍江163414；2.西安通源石油科技股份有限公司，陜西 西安710075；3.大慶油田試油試采分公司，黑龍江 大慶163412；4.江蘇石油工程有限公司地質(zhì)測井處，江蘇 揚州225002）

0 引 言

復(fù)合射孔技術(shù)最大特點是在近井地帶形成網(wǎng)狀裂縫，改善地層導(dǎo)流能力。但是隨著油田開發(fā)的深入，致密、低滲透率、非均質(zhì)性強的油藏數(shù)量增多，開采難度不斷增加，對射孔技術(shù)也提出了更高的要求，原有的復(fù)合射孔技術(shù)裝藥空間未充分利用，裝藥量??；泄壓孔的設(shè)計不盡合理，二次能量的做功效率不高；鋼質(zhì)堵片落入井筒造成污染；射孔器結(jié)構(gòu)設(shè)計中射孔彈炸高偏小。為克服上述缺陷提出三級裝藥多級復(fù)合射孔技術(shù)，改變了原有技術(shù)應(yīng)用局限性，通過大慶油田的試驗取得了良好的增產(chǎn)效果。

1 三級裝藥射孔的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 超慢速火藥

三級裝藥多級復(fù)合射孔的關(guān)鍵是引入了超慢速火藥。超慢速火藥是在軍工技術(shù)的基礎(chǔ)上通過配方優(yōu)化增加緩燃材料、提高抗爆轟能力開發(fā)的新型火藥。該火藥的火藥力450～550kJ／kg，燃燒結(jié)束點達到650ms以上（見圖1）。

圖1 3種火藥性能曲線

1.2 三級裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計

三級裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵是控制火藥燃燒與射孔彈爆轟之間以及火藥之間的時間差，控制不好會引起槍身的較大膨脹變形或破裂，嚴重時造成槍身掉卡或油層套管破壞等事故。優(yōu)化設(shè)計的原則是充分利用槍內(nèi)空間，提高裝藥量，在槍身變形量滿足SY／T 6824－2011標準規(guī)定下延長有效壓力的作用時間。

槍內(nèi)裝藥方式主要有3種，彈間裝藥、彈架外裝藥和射孔彈口端裝藥。確定3種裝藥的藥性和藥量是裝藥設(shè)計的關(guān)鍵。為此，進行了各種裝藥結(jié)構(gòu)的地面動態(tài)p－t曲線測試。試驗結(jié)果見表1。

通過優(yōu)化設(shè)計，選擇了序號3方案，其裝藥量為50g／發(fā)，是常規(guī)復(fù)合射孔的2倍；有效壓力作用時間為18～26ms，是常規(guī)復(fù)合射孔的3～4倍、兩級復(fù)合射孔的1.5～2倍。

1.3 泄壓孔優(yōu)化設(shè)計

泄壓孔的設(shè)計直接影響到環(huán)空壓力過程和p－t形態(tài)，對壓力上升速率、峰值壓力、有效壓力作用時間都會產(chǎn)生很大影響。常規(guī)的復(fù)合射孔器泄壓孔位置一般開在射孔彈射流方向的相反位置（射孔彈尾部槍身處），造成火藥能量不能直接進入地層，影響火藥的做功效率。

表1 三級裝藥多級復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)方案對比

為使泄壓孔的位置更加合理，對泄壓孔位置與射流方向進行了數(shù)值模擬和驗證試驗，摸索出壓力峰值和泄壓孔相位之間的關(guān)系

式中，p為壓力峰值；θ為泄壓孔與射孔彈射流方向的夾角。

試驗結(jié)果顯示泄壓孔開在射孔彈射流方向（0°）和相反方向（180°）時，火藥爆燃氣體進入孔道的初始壓力不同，主要是壓力上升速率和壓力峰值，0°時要比180°時高得多（見圖2、圖3）。

1.4 破碎堵片研制

常規(guī)復(fù)合射孔槍泄壓孔堵片采用45號鋼作為骨架，表面硫化橡膠，射孔后堵片完全脫落至井底，無法用替井液替出，且沒有成熟的打撈工具，嚴重影響油氣井后期的大修和改造，為此提出了破碎堵片設(shè)計方案。

圖2 θ為0°時壓力時間曲線

1.4.1 設(shè)計原則及結(jié)構(gòu)分析

等強度理論：協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)尺寸，統(tǒng)一結(jié)構(gòu)承載能力。

最大厚度界限不得超過泄壓孔弦長高度，減少結(jié)構(gòu)受到外部接觸磕碰影響。

圖3 θ為180°時壓力時間曲線

圖4 破碎堵片數(shù)值模擬

按設(shè)計尺寸加載80MPa的圍壓接觸邊界條件（不考慮環(huán)氧粘結(jié)的強度），計算模型見圖4。

分析結(jié)果顯示，80MPa時結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)大的塑性變形；堵片應(yīng)力與臺階應(yīng)力匹配良好，達到等強度設(shè)計標準。

1.4.2 承壓試驗

用專用超高壓試驗裝置對裝有破碎堵片的整槍進行密封打壓試驗，試驗結(jié)果證明該結(jié)構(gòu)粉末冶金堵片安全承受壓力能夠達到80MPa（見圖5）。

圖5 破碎堵片耐壓試驗曲線

1.4.3 破碎效果及破碎堵片特點

利用單發(fā)射孔單元試驗裝置進行多次的實驗，并全部回收堵片殘渣。結(jié)果表明，在彈尾部的爆炸沖擊作用下，破碎型堵片可以破碎，最大顆粒尺寸小于4mm×4mm。

射孔后破碎堵片破碎可以通過替井液替出，消除堵片給油氣井帶來的污染，即使不處理也不影響油氣井的大修與改造。射孔彈射開的材料由32CrMo4變成了波阻抗較低的破碎材質(zhì)，相同地質(zhì)條件下射孔彈對地層穿深提高約9.3%。射孔后槍身無毛刺避免了卡槍事故發(fā)生；泄壓孔與堵片形成內(nèi)盲孔結(jié)構(gòu)，射孔彈炸高提高10%～15%。

1.5 三聯(lián)體藥盒設(shè)計

基于兩級裝藥復(fù)合射孔使用過程暴露的藥盒占用空間大，運輸和儲存成本高，大批量市場應(yīng)用困難；三級裝藥多級復(fù)合射孔提出了三聯(lián)體藥盒的設(shè)計思路，采用鉸鏈結(jié)構(gòu)將側(cè)掛藥盒和前置藥盒聯(lián)為一體，藥盒卡爪插入彈架外預(yù)先設(shè)置的卡槽內(nèi)，裝配簡單方便，運輸及儲存時藥盒展開擺放占用空間小、成本低，能夠保證大批量生產(chǎn)的要求。

2 地面p－t試驗

地面p－t測試表明，具有這種裝藥結(jié)構(gòu)的三級裝藥多級復(fù)合射孔器比常規(guī)同型號的復(fù)合射孔器壓力上升速度穩(wěn)定，壓力峰值70MPa。30MPa時的壓力作用時間達到18～26ms，是常規(guī)復(fù)合射孔的3～4倍、兩級復(fù)合射孔的1.5～2倍，實現(xiàn)了較寬的壓力平臺。從理論上講，這種新型三級裝藥多級復(fù)合射孔槍的射孔效率會更高（見圖6）。

圖6 三級裝藥與多級、傳統(tǒng)復(fù)合射孔地面測試曲線對比

3 應(yīng)用情況

太135－53油井井深1 238m，巖層破裂壓力25MPa，井溫28℃。三級裝藥多級復(fù)合射孔槍為16孔／m、90°相位，與所配射孔彈匹配的火藥量不小于0.8kg／m。

與鄰井所采用的多級復(fù)合射孔相比，射孔時水柱高度是多級復(fù)合射孔的近2倍，從井下p－t儀測出的曲線看，三級裝藥多級復(fù)合射孔最大壓力92.4MPa，有效壓力（30MPa）作用時間約25ms；而兩級復(fù)合射孔最大壓力84.6MPa，有效壓力（30MPa）作用時間約14.6ms（見圖7、圖8）。提出井口射孔槍完好，測量射孔槍外徑最大變形量為4.9mm，槍身無毛刺，各項指標均滿足SY／T6824－2011標準要求。試油結(jié)果采油強度為3.23，比多級復(fù)合射孔提高了70%左右（見表2）。

圖7 多級復(fù)合射孔井下p－t曲線

圖8 三級裝藥復(fù)合射孔井下p－t曲線

表2 大慶油田3口井試油結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）三級裝藥多級復(fù)合射孔克服了常規(guī)復(fù)合射孔的缺陷，裝藥量提高到50g／發(fā)，是常規(guī)復(fù)合射孔的2倍；優(yōu)化了裝藥結(jié)構(gòu)和泄壓孔，氣體壓裂做功效率更高；破碎堵片減少了井筒污染；三聯(lián)體藥盒裝配簡便，儲存運輸成本低，使多級復(fù)合能夠滿足大批量油田施工的要求。

（2）地面和井下測得的p－t曲線表明，三級裝藥復(fù)合射孔的有效壓裂作用時間比常規(guī)復(fù)合射孔及兩級復(fù)合射孔有較大幅度增加，有效壓力作用時間為18～26ms，是常規(guī)復(fù)合射孔的3～4倍、兩級復(fù)合射孔的1.5～2倍，提高了造縫能力。

（3）現(xiàn)場實際應(yīng)用效果表明，三級裝藥多級復(fù)合射孔器比常規(guī)復(fù)合射孔器以及兩級復(fù)合射孔器有更好的增產(chǎn)效果。

［1］ 張雙計，王煒.油氣井燃燒爆破技術(shù) ［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

［2］ 佟錚，馬萬珍，曹玉生.爆破與爆炸技術(shù) ［M］.北京：中國人民公安大學(xué)出版社，2001.