油氣井等孔徑射孔彈性能影響因素探討

郭紅軍, 王寶興, 汪長(zhǎng)栓, 石健, 謝驪航, 楊曉林

(北方斯倫貝謝油田技術(shù)(西安)有限公司, 陜西 西安 710065)

0 引 言

一直以來(lái),對(duì)射孔彈的研究主要關(guān)注在高穿深、大孔徑方面,對(duì)等孔徑技術(shù)研究較少。然而在油田現(xiàn)場(chǎng)射孔器下井過(guò)程中,射孔器周?chē)c套管之間的間隙往往是不一致的,在間隙小的一側(cè),套管上形成的射孔孔眼較大,在間隙大的一側(cè),孔眼則較小,特別是對(duì)于水平井作業(yè),由于儀器自重的作用,射孔器完全偏向套管下方的一側(cè),此時(shí)在套管上方形成的孔眼最小。由于孔眼摩阻與直徑4次方的倒數(shù)呈正比關(guān)系[1],孔眼直徑越小,射孔孔眼摩阻呈幾何級(jí)增大,大幅增加了后期水力壓裂時(shí)地層的破裂壓力,并且小孔眼還容易出現(xiàn)砂堵現(xiàn)象。中國(guó)近年來(lái)新增油氣大部分屬中低滲透率儲(chǔ)層和致密巖層,地層本身所需破裂壓力較大,這種孔眼的不均勻性在后期壓裂過(guò)程中甚至出現(xiàn)對(duì)地層無(wú)法壓開(kāi)的情況。常規(guī)聚能射孔彈由于射孔器與套管間隙不同導(dǎo)致套管上射孔孔眼的這種不均勻性給后期的壓裂作業(yè)帶來(lái)了許多的問(wèn)題,許多專(zhuān)家和研究人員對(duì)此進(jìn)行了分析和研究。劉合等[2]分析了孔眼直徑等因素對(duì)孔眼摩阻的影響,通過(guò)數(shù)值模擬給出了井口壓力的計(jì)算公式;謝榮華等[3]研究了水平井井筒上下方向射孔不均勻的問(wèn)題,定量分析了偏心射孔對(duì)水平井壓裂裂縫啟裂及延伸的影響;袁吉誠(chéng)[4]認(rèn)為在新的油氣開(kāi)發(fā)形勢(shì)下,射孔已不再是提高產(chǎn)能的最終手段,射孔應(yīng)積極配合后期的壓裂作業(yè),提出應(yīng)加強(qiáng)對(duì)等孔徑技術(shù)關(guān)注的建議。為了克服這種孔眼不均勻性帶來(lái)的不利影響,最簡(jiǎn)單有效的方法就是開(kāi)發(fā)一種受間隙影響較小的等孔徑射孔彈。

斯倫貝謝公司開(kāi)發(fā)的StimStream壓裂專(zhuān)用射孔彈,經(jīng)在北美頁(yè)巖氣應(yīng)用試驗(yàn)可降低破裂壓力1 000 psi*非法定計(jì)量單位,1 psi=6 894.76 Pa,下同,在中國(guó)四川某頁(yè)巖氣水平井2個(gè)平臺(tái)應(yīng)用驗(yàn)證,其中一個(gè)平臺(tái)應(yīng)用15口井統(tǒng)計(jì),降低破裂壓力14 MPa,另一個(gè)平臺(tái)應(yīng)用9口井統(tǒng)計(jì),降低破裂壓力8 MPa。哈里伯頓公司研制的等孔徑射孔彈經(jīng)在美國(guó)西南部24個(gè)地區(qū)使用后比較,可降低地層破裂壓力500～1 000 psi[5]。亨廷公司開(kāi)發(fā)的等孔徑射孔彈,經(jīng)驗(yàn)證可大幅提高壓裂時(shí)注水速率,從而降低破裂壓力[6]。

由傳統(tǒng)的大孔徑、高穿深射孔彈到等孔徑、高穿深射孔彈已成為射孔行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。本文就影響油氣井等孔徑射孔單性能的因素進(jìn)行了探討。

1 影響等孔徑射孔彈性能的因素

1.1 裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)孔徑一致性射孔彈性能的影響

等孔徑射孔彈是根據(jù)油氣田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的實(shí)際情況,在射孔槍與套管間隙不一致的情況下在套管四周形成相對(duì)比較一致的射孔孔眼,消除了套管上無(wú)效的小孔眼現(xiàn)象,降低了套管上射孔孔徑的最大偏差。

裝藥結(jié)構(gòu)是影響等孔徑射孔彈性能的主要因素,藥型罩形狀又是裝藥結(jié)構(gòu)的主要因素。等孔徑射孔彈藥型罩母線形狀可由圓弧—直錐—圓弧組合而成(見(jiàn)圖1),這種結(jié)構(gòu)一方面可增加藥型罩母線長(zhǎng)度,以增加射流的本身拉伸長(zhǎng)度和穿孔深度;另一方面可增加射流尾部的速度和能量,以增加射流尾部的破甲開(kāi)坑能力。常規(guī)射孔彈為增大射流拉伸長(zhǎng)度,在藥型罩壁厚設(shè)計(jì)時(shí)采用變壁厚設(shè)計(jì),即增加了藥型罩口部壁厚,從而降低了射流尾部速度,以使射流頭部和尾部有一定的速度梯度,增加射流的拉伸長(zhǎng)度,提高射流的穿孔深度。與常規(guī)射孔彈相比,等孔徑藥型罩在設(shè)計(jì)壁厚時(shí)減小了藥型罩頂部到口部的壁厚差,提高射流尾部速度,減小了射流頭部和尾部的速度梯度,雖然射流的拉伸長(zhǎng)度和穿孔深度有一定降低,但減少了由于射流拉伸過(guò)大而使得射流直徑變小的現(xiàn)象,射流直徑的一致性和穩(wěn)定性有了很大提高。

圖1 等孔徑射孔彈藥型罩結(jié)構(gòu)示意圖

為了對(duì)比2種裝藥結(jié)構(gòu)在不同間隙下對(duì)射孔孔徑的影響,對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)下的常規(guī)射孔彈和等孔徑射孔彈進(jìn)行了地面混凝土柱靶對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為模擬89槍和140套管,射孔彈槍內(nèi)間隙(炸高)為12 mm,射孔槍與套管的最小間隙5 mm(即射孔槍盲孔深度,該相位上射孔器與套管完全貼合),最大間隙為40 mm。圖2為試驗(yàn)裝置和模擬套管靶片的試驗(yàn)效果;表1為常規(guī)射孔彈與裝藥結(jié)構(gòu)改進(jìn)后等孔徑射孔彈混凝土柱靶試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 2種間隙下混凝土柱靶試驗(yàn)裝置與靶片穿孔效果

彈型檢測(cè)項(xiàng)小間隙(12+5)/mm大間隙(12+40)/mm平均值/mm最大偏差/%常規(guī)射孔彈平均穿孔孔徑129629635平均穿孔深度805976891—等孔徑射孔彈平均穿孔孔徑1139010212平均穿孔深度701829765—

從表1可見(jiàn),經(jīng)過(guò)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)后,在最大和最小2種間隙下等孔徑射孔彈與常規(guī)射孔彈穿孔效果相比,雖然平均穿孔深度有所下降,但消除了套管上的小孔眼現(xiàn)象, 孔徑一致性有了很大提高,大幅降低了套管上穿孔孔徑的最大偏差,達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的(最大偏差為2種間隙下模擬套管穿孔孔徑平均值與總平均值相比)。

1.2 藥型罩配方對(duì)等孔徑射孔彈性能的影響

雖然等孔徑射孔彈與常規(guī)射孔彈相比孔徑的一致性提高很大,但穿孔深度有一定下降。為提高等孔徑射孔彈的穿孔深度,減小等孔徑射孔彈穿孔深度與常規(guī)射孔彈的差距,需要對(duì)藥型罩配方進(jìn)行改進(jìn),以達(dá)到等孔徑、高穿深的目的。良好的藥型罩配方可以提高射流的致密性和延展性,以提高射流的穿孔深度,增加射流的破甲開(kāi)坑能力,進(jìn)一步減小穿孔孔徑的最大偏差[7]。經(jīng)過(guò)對(duì)藥型罩配方的研究和設(shè)計(jì),在藥型罩金屬粉末中加入一定比例的-400目的超細(xì)W粉(10%)和銅鉛合金粉(10%);加入一定比例的-200+320目鎢粉(30%)及-100+200目銅鉛合金粉(25%),其余部分為銅粉,增加了粉末體的致密性和延展性,以提高穿孔深度;加少量的的Ti粉(5%),鈦具有較高的強(qiáng)度,可以增加射流的破甲開(kāi)坑能力,對(duì)孔徑的一致性有一定的作用。為了改善粉末體的流動(dòng)性和成型性,在混合粉末的過(guò)程中,可加入少量的石墨和機(jī)油[8]。通過(guò)對(duì)藥型罩配方的改進(jìn),可以提高等孔徑射孔彈的穿孔深度,進(jìn)一步減少穿孔孔徑的最大偏差。為了對(duì)比2種藥型罩配方對(duì)穿孔效果的影響,按前面的試驗(yàn)條件和方法進(jìn)行試驗(yàn)。表2是采用藥型罩配方改進(jìn)后的等孔徑射孔彈與常規(guī)射孔彈在不同間隙下混凝土柱靶試驗(yàn)結(jié)果。

表2 藥型罩配方改進(jìn)后等孔徑射孔彈與常規(guī)射孔彈混凝土柱靶試驗(yàn)結(jié)果

1.3 壓罩工藝對(duì)等孔徑射孔彈性能的影響

壓罩工藝直接影響到藥型罩密度以及內(nèi)部密度的均勻性,進(jìn)而直接影響到射流的拉伸和穿孔效果。為了使粉末藥型罩內(nèi)部密度尤其是軸向密度達(dá)到比較均勻的目的,提高藥型罩的成型性,需要對(duì)壓罩工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。藥型罩成型參數(shù)中需要對(duì)模具旋轉(zhuǎn)速度、壓力、旋壓時(shí)間、保壓時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。為了提高藥型罩密度及密度均勻性,在旋壓過(guò)程中適當(dāng)加大模具旋轉(zhuǎn)速度,并對(duì)藥型罩毛坯進(jìn)行二次整型,且整形壓力大于壓型壓力;對(duì)于模具旋壓時(shí)間在旋轉(zhuǎn)速度增大后,可適當(dāng)減小,以提高生產(chǎn)效率;對(duì)于保壓時(shí)間應(yīng)盡可能減少,以增加模具的壽命,通常保壓時(shí)間為1～2 s。經(jīng)過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)整后成型的藥型罩可達(dá)到一定的密度及密度均勻性的要求,最終達(dá)到設(shè)計(jì)的穿孔效果。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證等孔徑射孔彈在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果,在四川南部某頁(yè)巖氣水平井進(jìn)行效果驗(yàn)證。該井區(qū)位沉積蓋層從震旦系到侏羅系,厚度約6 000～7 000 m,射孔井段位于約4 000～4 500 m位置。試驗(yàn)井采用相同平臺(tái)不同井號(hào),對(duì)常規(guī)89型射孔彈和等孔徑射孔彈進(jìn)行射孔后地層破裂壓力對(duì)比試驗(yàn)(20發(fā)/m),射孔后地層破裂壓力和施工壓力數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表3的數(shù)據(jù)計(jì)算得出,采用等孔徑射孔彈射孔后相比常規(guī)射孔彈地層平均破裂壓力降低了23%,平均施工壓力降低了25%,地層破裂壓力和施工壓力有了明顯的降低。

表3 采用2種射孔彈射孔后地層破裂壓力和施工壓力比較(相同平臺(tái),不同井)

3 結(jié) 論

(1) 經(jīng)過(guò)對(duì)影響等孔徑射孔彈主要因素的分析,所設(shè)計(jì)的等孔徑射孔彈在射孔器完全偏置套管一側(cè)的情況下,經(jīng)API RP 19B混凝土靶試驗(yàn),雖然穿孔深度有所下降,但套管穿孔孔徑最大偏差降低為10%,消除了套管上無(wú)效的小孔眼現(xiàn)象,綜合性能優(yōu)于常規(guī)射孔彈。

(2) 裝藥結(jié)構(gòu)是影響等孔徑射孔彈孔徑一致性的主要因素,通過(guò)對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計(jì),可大幅度降低射孔器與套管不同間隙下等孔徑射孔彈穿孔孔徑的最大偏差,但穿孔深度有一定下降。

(3) 藥型罩配方設(shè)計(jì)改進(jìn)后的射流致密性和延展性有了很大提高,提高了它的穿孔深度,在配方中加入少量的鈦粉,可以增加射流的破甲開(kāi)坑能力,進(jìn)一步減小穿孔孔徑的最大偏差。

(4) 壓罩工藝直接影響到藥型罩密度以及內(nèi)部密度的均勻性,合理的壓罩工藝參數(shù)可使等孔徑射孔彈最終達(dá)到設(shè)計(jì)的穿孔效果。

(5) 經(jīng)過(guò)某頁(yè)巖氣水平井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,采用等孔徑射孔彈相比常規(guī)射孔彈射孔后破裂壓力降低了23%,施工壓力降低了25%。

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