超高孔密射孔器的研制及應(yīng)用

朱建新

（中石化勝利石油工程有限公司測井公司，山東 東營 257096）

引言

疏松稠油油藏的開發(fā)是一個世界性難題，這種油藏的儲層壓實差，膠結(jié)疏松，油井極易出砂，造成產(chǎn)能逐漸下降，嚴(yán)重時可以使油井報廢。我國渤海灣蓬萊PL19－3油田的主力油藏就屬這種情況，但它埋藏淺、涵蓋廣、儲層物性好，屬高孔高滲的典型稠油構(gòu)造，極具開采價值。中海油田服務(wù)股份有限公司和美國康菲石油公司于2003年開始合作開采該區(qū)塊，嘗試了多種完井方式，但效果一直不理想，主要原因之一是采用的是普通射孔器，穿孔孔徑小，孔密低，射孔后獲得的井筒泄流面積小，油氣產(chǎn)能較低，且地層砂處理難度大、成本高，投產(chǎn)后產(chǎn)能迅速下降。為最大限度地提高或恢復(fù)PL19－3油田的生產(chǎn)能力，中美雙方專家認(rèn)為必須采用兼有超高孔密和大孔徑雙重特性的射孔器射孔，并配合后續(xù)壓裂礫石充填作業(yè)。這樣既能防止生產(chǎn)過程中地層出砂，又能保證油流有足夠的流通面積流入井筒，為實現(xiàn)高產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。

針對PL19－3油田的具體井況，中美雙方專家提出了超高孔密射孔器的技術(shù)指標(biāo)要求：槍外徑為178mm或127mm，孔密為60孔／m；178型射孔器平均穿孔孔徑應(yīng)大于20mm，平均穿孔深度應(yīng)大于300mm；127型射孔器平均穿孔孔徑應(yīng)大于19mm，平均穿孔深度應(yīng)大于200mm。經(jīng)過對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的收集、分析，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)還沒有類似的超高孔密大孔徑射孔器，國外雖有類似的射孔器，但穿深太淺，如美國歐文公司178型59孔／m射孔器平均穿孔深度僅225mm，不利于油氣井產(chǎn)能的提高，因此需開展創(chuàng)造性的研制工作。

1 技術(shù)方案

根據(jù)聚能射流破甲理論，以系統(tǒng)工程思維方法為指導(dǎo)，開展超高孔密射孔器的研制。研制內(nèi)容主要有彈架、槍管和射孔彈，其余零部件及火工品與海洋油田常用產(chǎn)品一致，以保持互換和通用。射孔彈及其排布設(shè)計是本研制項目的核心和重點，其技術(shù)上存在較大的難度。射孔器的穿孔效果除了受射孔彈的影響外，還受射孔彈裝槍炸高、彈間距、相位等因素的影響。這些因素彼此聯(lián)系，在進(jìn)行射孔器的設(shè)計時，需對它們進(jìn)行綜合、系統(tǒng)的考慮，以盡量消除超高孔密條件下的彈間干擾，發(fā)揮射孔器的最大效能。

1.1 超高孔密射孔器總體方案設(shè)計

為了在有限的槍管內(nèi)布置更多的射孔彈，將射孔器設(shè)計成沿螺旋線十八方位均布射孔的結(jié)構(gòu)，見下頁圖1，其參數(shù)見表1。為實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和互換性，并考慮井場操作的便利性，將槍管兩端的連接母扣設(shè)計成油田通用的美制梯形螺紋，各槍管通過中間接頭連接，槍與槍之間通過對接的傳爆管傳爆。

圖1 射孔器結(jié)構(gòu)組成及射孔孔眼分布情況

表1 射孔器主要力學(xué)參數(shù)

射孔器的工作原理為：由起爆器引爆槍頭的傳爆管及所連的導(dǎo)爆索后，導(dǎo)爆索依次引爆所連的射孔彈，射孔彈爆轟時推動藥型罩向軸線運動，罩壁在軸線處匯聚碰撞形成高能金屬射流，金屬射流依次在套管、固井混凝土和地層巖石上射出一定直徑和長度的孔道，從而溝通井筒和油氣層，實現(xiàn)開采目的。

1.2 彈架設(shè)計

主要是對彈架的尺寸、相位、孔密進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計原則是為射孔彈創(chuàng)造合適的炸高，從而保證射孔器有足夠大的穿孔孔徑。同時需考慮彈孔的分布，以盡量增加孔密并避免彈間干擾。用公式（1）、公式（2）的計算結(jié)果來判定是否存在彈間干擾。如判定存在彈間干擾，則需對孔密、相位角及射孔彈外形尺寸等進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

式中：V1為視爆速，m／s；K 為與射孔彈藥量、壁厚等有關(guān)的系數(shù)；V0為導(dǎo)爆索爆速，m／s；L1為相鄰兩彈間的邊緣距離（孔密越大，L1越小），mm；L2為相鄰兩彈間的導(dǎo)爆索長度，mm；π為圓周率；c為導(dǎo)爆索與彈架的中心距，mm；φ為相位角，（°）；n為孔密，孔／m。

根據(jù)試驗經(jīng)驗，當(dāng)V1＞500m／s，不會出現(xiàn)彈間干擾；當(dāng)V1≤500m／s，有可能出現(xiàn)彈間干擾。

1.3 槍身設(shè)計

槍身設(shè)計與彈架設(shè)計相協(xié)調(diào)，孔密為60孔／m，18相位，其余設(shè)計與常規(guī)射孔槍相同。

1.4 射孔彈設(shè)計

通常情況下，射孔彈的穿孔深度越深，穿孔孔徑就越?。环粗?，穿孔孔徑越大，穿孔深度就越淺。因此，國內(nèi)外的深穿透射孔彈的穿孔孔徑都較小，而大孔徑射孔彈的穿深都較淺。要同時實現(xiàn)孔徑和深穿的設(shè)計目標(biāo)，就需要提高并合理分配射孔彈的有效能量。

射孔彈設(shè)計包括藥型罩、彈殼和裝藥設(shè)計三個方面，這三個方面相互影響，需綜合考慮、協(xié)調(diào)，其中藥型罩是射孔彈的核心，需進(jìn)行重點設(shè)計。這三個方面設(shè)計完后，通過數(shù)值仿真及正交試驗進(jìn)行優(yōu)化，確定射孔彈的最佳結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

1.4.1 射孔彈穿靶的理論計算

根據(jù)聚能射流穿靶理論［1］，射孔彈的穿孔深度及孔徑可分別由公式（3）和公式（4）確定。

式中：L為穿孔深度，mm；H 為炸高，mm；b為常數(shù)，mm；vj1為射流頭部速度，m／s；vj2為射流尾部速度，m／s；ρj為藥型罩或射流密度，g／cm3；ρt為靶材密度，g／cm3；D 為穿孔孔徑，mm；dj為射流直徑，mm；vj為射流速度，m／s；σ為靶材的抗拉強(qiáng)度極限，MPa；K為經(jīng)驗常數(shù)。

公式（3）表明，炸高越高，射流頭尾速度比值及射流與靶材密度比值越大，射孔彈穿孔深度就越深。公式（4）表明，增加射流直徑或射流速度均能增加穿孔孔徑。

1.4.2 藥型罩設(shè)計

1）藥型罩材料選擇。根據(jù)藥型罩聚能原理及射流破甲理論可知，藥型罩在爆轟能量作用下形成連續(xù)不斷的射流愈長，密度愈大，汽化愈少，射孔彈的穿孔深度就愈深。因此，對藥型罩材料總的要求是塑性好、密度大、沸點高。根據(jù)指標(biāo)要求，本項目178型射孔彈采用了銅、鉛粉作為藥型罩材料，127型射孔彈采用了特種銅合金作為藥型罩材料。

2）藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計。藥型罩有錐形、半球形、喇叭形、雙曲線形、拋物線形等結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)不同，穿孔效果也不同。為實現(xiàn)特定的穿孔指標(biāo)，178型超高孔密射孔器的藥型罩采用了多錐、多圓弧組合的結(jié)構(gòu)形式，127型超高孔密射孔器的藥型罩采用了雙圓弧的結(jié)構(gòu)形式。

1.4.3 裝藥設(shè)計

裝藥影響射孔彈穿孔性能的主要因素是爆轟壓力，爆轟壓力越大，穿孔就越深、越大。爆轟壓力可用公式（5）、公式（6）進(jìn)行計算。

式中：PCJ為爆轟壓力，Pa；ρ0為炸藥密度，kg／m3；D為炸藥爆速，m／s；A為常數(shù)，與炸藥性質(zhì)有關(guān)；B為常數(shù)，與炸藥性質(zhì)有關(guān)。

因此，為了提高射孔穿孔性能，需選取爆轟壓力高的炸藥。炸藥選定后，應(yīng)盡可能地提高炸藥的裝填密度。

2 技術(shù)難點及實現(xiàn)途徑

對超高孔密射孔器來說，它主要的技術(shù)難點在于如何消除彈間干擾，以及在保證射孔槍安全的前提下如何提高射孔彈的穿孔性能。本項目在通過數(shù)值仿真技術(shù)對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，先后進(jìn)行了鋼靶射孔試驗、整槍抗爆試驗及混凝土靶射孔試驗，解決了平均穿孔孔徑小、彈間干擾、槍管炸裂等技術(shù)難題，使射孔器的安全性指標(biāo)及穿孔性能指標(biāo)滿足預(yù)定要求。

2.1 彈間干擾的解決途徑

高孔密射孔器爆炸時容易出現(xiàn)彈間沖擊波干擾（簡稱彈間干擾），導(dǎo)致穿孔性能明顯下降。彈間干擾現(xiàn)象具體表現(xiàn)為射流發(fā)散、偏移，穿孔不規(guī)則，平均穿孔深度下降，孔徑變小，穿孔穩(wěn)定性下降等。高孔密射孔器彈間干擾問題一直是困擾業(yè)界的一大難題，限制了油氣井產(chǎn)能及產(chǎn)出率的進(jìn)一步提高。本項目研制的主要難點就是如何避免彈間干擾。

彈間干擾產(chǎn)生的主要原因是：先爆的射孔彈引起的沖擊波作用到后爆的射孔彈上，使后爆的射孔彈爆轟時已處于一種不對稱的壓力場狀態(tài)，從而使射流不穩(wěn)定，最終造成射孔孔道不規(guī)則，而且很淺［2］。另外，如果導(dǎo)爆索繞排方式不合理，導(dǎo)爆索產(chǎn)生的沖擊波也會使射孔彈在引爆前處于不對稱的壓力場中，對射孔彈造成干擾。

一般來說，彈間距一定時，裝藥量越大、殼體越薄，彈間干擾越嚴(yán)重。為減少高孔密狀態(tài)下的彈間干擾，本項目設(shè)計時在同類射孔彈的基礎(chǔ)上減少了裝藥量、增加了壁厚，因而彈間干擾相對較小。

在前期的彈間干擾理論研究中，計算并比較了先爆射孔彈產(chǎn)生的沖擊波傳播到后爆射孔彈的時間t1與導(dǎo)爆索引爆相鄰射孔彈的時間差t，得出產(chǎn)生彈間干擾的前提條件是：t1＜t。導(dǎo)爆索對射孔彈造成干擾的前提條件與此類似。

要避免出現(xiàn)彈間干擾，需保證t1＞t。在不改變射孔彈狀態(tài)的前提下，本項目分別通過如下兩個途徑實現(xiàn)t1＞t。

1）通過增大彈間距離，延長沖擊波傳播時間t1，通過縮短彈間導(dǎo)爆索長度，縮短相鄰射孔彈的引爆時間差t，這可通過優(yōu)化射孔彈及導(dǎo)爆索的排布方式實現(xiàn)；優(yōu)化時需綜合考慮槍型、彈型、孔密、相位、炸高及導(dǎo)爆索繞排方式，以充分發(fā)揮射孔彈的穿孔性能，同時盡可能降低彈間干擾。

2）提高導(dǎo)爆索的爆速，以縮短相鄰射孔彈的引爆時間差t。

本項目射孔器的具體設(shè)計是：導(dǎo)爆索處于彈架的中心，使彈間導(dǎo)爆索長度最短，同時相鄰的射孔彈通過140°大相位角排布增大彈間距離，并采用爆速大于7 800m／s的高爆速導(dǎo)爆索來減少導(dǎo)爆索彈間傳爆所需的時間（普通導(dǎo)爆索爆速一般為7 000m／s左右）。

2.2 射孔彈穿孔性能及穩(wěn)定性的解決途徑

在研制初期遇到了孔徑和穿深不能兼顧、槍管抗爆強(qiáng)度和穿孔性能不能兼顧等難題。后來利用數(shù)值仿真軟件及輔助創(chuàng)新工具，通過調(diào)整彈殼內(nèi)腔及藥型罩的結(jié)構(gòu)、材料、重量，提高了炸藥能量的利用率，在射孔彈藥量不增或減少的情況下，最終使穿深和孔徑得到了一個較理想的組合，同時保證了槍管安全，炸后槍管膨脹量小于4mm，滿足GB／T 20489的要求。

3 達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

本項目突破彈間干擾的技術(shù)瓶頸，首次研發(fā)出了系列超高孔密大孔徑射孔器，該類具有孔密高、無彈間干擾、穿孔性能好、可靠性和安全性高等優(yōu)點，具體達(dá)到的指標(biāo)見表2，其中127型60孔／米射孔器的相關(guān)照片見圖2～圖4。

表2 超高孔密大孔徑射孔器達(dá)到的指標(biāo)

圖2 127型60孔／m射孔器彈架總成

4 推廣應(yīng)用情況

2009年8 月至今，178型60孔／m射孔器在渤海灣蓬萊油田推廣使用，現(xiàn)已累計使用178型超高孔密射孔彈45余萬發(fā)，并創(chuàng)下一次作業(yè)射孔段最長、用彈量最多的世界紀(jì)錄，完全滿足壓裂礫石充填對于射孔的要求，徹底解決了地層出砂的問題，實現(xiàn)了油井的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。

2010年7 月至今，127型60孔／m射孔器在渤海灣蓬萊油田生產(chǎn)井和注水井中推廣使用，現(xiàn)已累計使用127型超高孔密射孔彈35余萬發(fā)。對生產(chǎn)井來說，有效解決了地層出砂的問題，對注水井來說，大大提高了注水井的注入效率，降低了注水成本，從而實現(xiàn)了油田的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，受到了用戶好評。

圖3 射孔后的槍身及套管

圖4 混凝土靶上的穿孔孔道

隨著油氣勘探開發(fā)的深入發(fā)展，疏松稠油油藏所占的比例將越來越大，超高孔密射孔器的應(yīng)用前景也將越來越廣闊。

5 結(jié)語

1）本項目針對稠油井射孔要求及國內(nèi)外超高孔密射孔系統(tǒng)存在的不足，在對影響稠油易出砂油井產(chǎn)能的因素及射孔工藝進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，提出了超高孔密射孔系統(tǒng)的設(shè)計方案和降低彈間干擾的技術(shù)途徑。

2）在通過數(shù)值仿真技術(shù)對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，先后完成了鋼靶射孔試驗、整槍抗爆試驗、混凝土靶射孔試驗等研究工作，解決了穿孔孔徑小、彈間干擾、槍管炸裂等技術(shù)難題。

3）本項目突破了超高孔密條件下消除彈間干擾的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)了超高孔密條件下優(yōu)良的穿孔性能。經(jīng)試驗驗證及大量使用證明，超高孔密射孔器各項指標(biāo)均滿足預(yù)定要求，且孔密、孔容、泄流面積比現(xiàn)有射孔器有顯著提高。

4）超高孔密射孔器為稠油、易出砂油藏的開發(fā)提供了一種高效的手段。

［1］ 北京工業(yè)學(xué)院八系《爆炸及其作用》編寫組.爆炸及其作用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1979.

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