多脈沖復(fù)合射孔器超高溫推進(jìn)劑研制及應(yīng)用

謝明召, 王寶興, 汪長(zhǎng)栓, 馮國(guó)富, 袁鐵剛, 張維山

(1.北方斯倫貝謝油田技術(shù)(西安)有限公司, 陜西 西安 710065;2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程公司, 天津 300457)

0 引 言

復(fù)合射孔技術(shù)被廣泛推廣使用[1-4]。油氣田超深井、超高溫井不斷增多,中國(guó)發(fā)現(xiàn)的大型油氣田中大部分在深層,平均埋深最大達(dá)6 500 m,地層溫度達(dá)到160～180 ℃[5-6]。中國(guó)現(xiàn)有的多脈沖復(fù)合射孔器用壓裂火藥產(chǎn)品耐溫指標(biāo)在160 ℃/48 h以下,不能滿足超深井、超高溫井的施工要求。本文研制了具有超高溫指標(biāo)的推進(jìn)劑,符合復(fù)合射孔器標(biāo)準(zhǔn)[7]規(guī)定的超高溫級(jí)壓裂火藥的耐溫要求,可作為多脈沖復(fù)合射孔器的壓裂火藥裝藥在超高溫井中進(jìn)行復(fù)合射孔施工。

1 超高溫推進(jìn)劑的制備及性能測(cè)試

1.1 多脈沖復(fù)合射孔技術(shù)原理

多脈沖復(fù)合射孔器屬于內(nèi)置式復(fù)合射孔器,設(shè)兩級(jí)壓裂火藥置于復(fù)合射孔槍內(nèi)部,一級(jí)壓裂火藥位于射孔彈之間,二級(jí)壓裂火藥位于彈架表面。射孔施工時(shí)[8-10]導(dǎo)爆索起爆射孔彈后產(chǎn)生爆轟波和聚能射流,爆轟波引燃?jí)毫鸦鹚幯b藥產(chǎn)生高溫高壓氣體。兩級(jí)火藥的燃速不同,沿著已形成的射孔孔道對(duì)地層進(jìn)行多級(jí)壓力脈沖壓裂造縫,提高射孔孔道周圍導(dǎo)流能力,解除近井帶污染,達(dá)到增產(chǎn)增注目的。

圖1 多脈沖復(fù)合射孔器裝配結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 配方設(shè)計(jì)

多脈沖復(fù)合射孔器火藥裝藥要求推進(jìn)劑耐溫性能良好,保證高溫條件下做功正常;要求能量適中,既保證施工時(shí)提供良好的動(dòng)力,又保證施工的安全;兩級(jí)裝藥燃速應(yīng)有差異,保證能形成脈沖壓力。在保證耐溫性能、兼顧能量和燃速級(jí)差的設(shè)計(jì)思路下,選取環(huán)氧樹脂為粘合劑和耐高溫氧化劑,再添加一定比例的能量調(diào)節(jié)劑和燃速調(diào)節(jié)劑構(gòu)成火藥的配方。配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為環(huán)氧樹脂(15%～30%)、氧化劑A(10%～30%)、氧化劑B(15%～35%)、能量調(diào)節(jié)劑(2%～10%)、燃速調(diào)節(jié)劑(2%～10%)、固化劑和促進(jìn)劑(1%～5%)。

1.3 樣品制備

推進(jìn)劑制備采用澆注工藝。各固體組分經(jīng)80 ℃烘箱烘干8 h,過120目標(biāo)準(zhǔn)篩;按配方稱取原料,用5 L立式捏合機(jī)捏合50 min,澆注到模具中,抽真空除氣;放入80 ℃烘箱固化2 d,最后退模成型。依據(jù)設(shè)計(jì)的配方,制備燃速不同的推進(jìn)劑樣品代號(hào)為C1和C2。

1.4 超高溫推進(jìn)劑耐溫性能

分別將20 g左右C1和C2推進(jìn)劑樣品放置在通風(fēng)的安全烘箱中,以2 ℃/min的升溫速率升溫至預(yù)定溫度,在該溫度條件下恒溫至規(guī)定時(shí)間后取出樣品,檢查試驗(yàn)結(jié)果。推進(jìn)劑耐溫性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 C1和C2推進(jìn)劑樣品耐溫試驗(yàn)結(jié)果

C1和C2推進(jìn)劑試驗(yàn)樣品在經(jīng)過188 ℃/48 h和178 ℃/100 h耐溫試驗(yàn)后,表面顏色變深,無流變,不自燃,失重量均小于3%,表明研制的超高溫推進(jìn)劑在測(cè)試溫度條件下熱穩(wěn)定性良好,滿足使用要求,符合SY/T6824—2011[8]對(duì)超高溫火藥耐溫性能的要求。

1.5 超高溫推進(jìn)劑燃燒性能

采用恒壓密閉爆發(fā)器測(cè)試了經(jīng)過188 ℃/48 h耐溫試驗(yàn)后C1和C2推進(jìn)劑樣品的燃燒性能,依據(jù)藥型尺寸、經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到了這2種推進(jìn)劑的燃速—壓力(u—p)曲線(見圖2)。對(duì)u—p曲線利用最小二乘法進(jìn)行分段指數(shù)式(u=apn)擬合,得到25～70 MPa壓力區(qū)間的燃速壓力方程(見表2)。

表2 C1和C2推進(jìn)劑樣品的擬合數(shù)據(jù)

圖2中,25～70 MPa壓力區(qū)間內(nèi)任意壓力點(diǎn)其C1推進(jìn)劑的燃速均大于C2推進(jìn)劑,保證了它們?cè)谙嗤h(huán)境下燃燒時(shí)形成脈沖壓力。

1.6 多脈沖復(fù)合射孔器地面混凝土靶試驗(yàn)

為了驗(yàn)證多脈沖復(fù)合射孔器使用所研制的C1和C2推進(jìn)劑作為一級(jí)和二級(jí)壓裂火藥裝藥的情況下射孔器的安全性能以及作用效果,按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T20488—2006和SY/T6824—2011)[7,11]的要求和試驗(yàn)方法進(jìn)行了地面混凝土靶射孔試驗(yàn)。

混凝土靶參數(shù):靶規(guī)格Φ4.5 m×1.35 m,靶齡為32 d,混凝土靶強(qiáng)度為41.5 MPa,套管規(guī)格為Φ177.8 mm×11.51 m,鋼級(jí)L-80。

復(fù)合射孔器參數(shù):射孔槍型號(hào)I114-16-72-70,射孔彈型號(hào)DP46HMX39-1,一級(jí)壓裂火藥裝藥量(C1推進(jìn)劑)375 g,二級(jí)壓裂火藥裝藥量(C2推進(jìn)劑)1 000 g。

地面混凝土靶試驗(yàn)結(jié)果見表3;混凝土靶參數(shù)見表4;混凝土靶開裂情況見圖3。

射孔器射孔后穿孔率100%,盲孔對(duì)位率100%;射孔槍最大脹徑4.5 mm;射孔槍身無裂紋,槍頭槍尾無脫落;平均穿孔深度1 103 mm;平均穿孔孔徑12.6 mm;最大內(nèi)毛刺高度1.5 mm。

表3 地面混凝土靶試驗(yàn)結(jié)果

表4 射孔后混凝土靶參數(shù)

圖2 C1和C2推進(jìn)劑樣品的u—p曲線

圖3 試驗(yàn)后的混凝土靶

表3的射孔器試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6824—2011的要求,射孔器安全性能合格。試驗(yàn)后檢查射孔槍,槍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有火藥殘留,說明C1和C2推進(jìn)劑裝配于多脈沖復(fù)合射孔器中,被爆轟波引燃且燃燒完全。表4和圖3中,試驗(yàn)后直徑4.5 m的混凝土靶裂成6塊,混凝土靶完全打開,裂縫寬度在30 mm以上,表明裝配C1和C2超高溫推進(jìn)劑的多脈沖復(fù)合射孔器造縫作用效果明顯。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 應(yīng)用井例1

HD×××井是中國(guó)西部某油田的1口注水井,人工井底5 085 m,射孔段5 051～5 056.6 m,井溫156 ℃。地層為砂巖,平均孔隙度10.32%,平均滲透率50 mD*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,破裂壓力65 MPa。采用I127-16-90-105型多脈沖復(fù)合射孔器,一級(jí)壓裂火藥(C1推進(jìn)劑)1 360 g,二級(jí)壓裂火藥(C2推進(jìn)劑)2 750 g。施工的同時(shí),使用Probe射孔壓力儀測(cè)得了射孔器工作時(shí)井下實(shí)時(shí)p—t曲線(見圖4)。

圖4 HD×××井實(shí)測(cè)p—t曲線

圖4的p—t曲線中,裝配C1和C2推進(jìn)劑的多脈沖復(fù)合射孔器在井下工作時(shí)共有3個(gè)壓力峰。第1壓力峰由射孔彈起爆形成,持續(xù)時(shí)間約0.05 ms,峰值69 MPa;一級(jí)壓裂火藥(C1推進(jìn)劑)被爆轟波點(diǎn)燃,劇烈燃燒產(chǎn)生大量氣體,形成第2個(gè)壓力峰,持續(xù)時(shí)間約15 ms,峰值75 MPa;二級(jí)壓裂火藥(C2推進(jìn)劑)與一級(jí)壓裂火藥被爆轟波同時(shí)點(diǎn)燃并燃燒;C2推進(jìn)劑的燃速比C1推進(jìn)劑的低,C2推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生了第3個(gè)壓力峰,持續(xù)時(shí)間約10 ms,峰值55 MPa。

2.2 應(yīng)用井例2

Khulud井為阿曼某油田的1口探井,人工井底5 030 m,射孔段5 013.0～5 019.0 m,井溫175 ℃。地層平均孔隙度5.0%,平均滲透率0.01 mD,破裂壓力105 MPa。采用I73-20-60-140型多脈沖復(fù)合射孔器,一級(jí)壓裂火藥(C1推進(jìn)劑)1 620 g,二級(jí)壓裂火藥(C2推進(jìn)劑)3 720 g。施工的同時(shí),測(cè)得了射孔器工作時(shí)井下實(shí)時(shí)p—t曲線(見圖5)。

圖5 Khulud井實(shí)測(cè)p—t曲線

圖5的p—t曲線中射孔彈起爆后,井筒壓力在短時(shí)間內(nèi)迅速升高,形成第1個(gè)壓力峰,峰值90 MPa,持續(xù)時(shí)間約0.1 ms;一級(jí)壓裂火藥(C1推進(jìn)劑)被爆轟波點(diǎn)燃,劇烈燃燒產(chǎn)生大量氣體,形成第2個(gè)壓力峰,持續(xù)時(shí)間約40 ms,峰值115 MPa;二級(jí)壓裂火藥(C2推進(jìn)劑)與一級(jí)壓裂火藥被爆轟波同時(shí)點(diǎn)燃并燃燒;C2推進(jìn)劑的燃速比C1推進(jìn)劑的低,C2推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生了第3個(gè)壓力峰,持續(xù)時(shí)間約200 ms,峰值70 MPa。

3 結(jié) 論

(1) 研制的超高溫推進(jìn)劑的耐溫性能良好,可以滿足180 ℃/48 h條件使用要求。

(2) 制備的不同燃速的推進(jìn)劑經(jīng)高溫烘烤,在25～70 MPa壓力區(qū)間內(nèi)有燃速級(jí)差,確保形成脈沖壓力。

(3) 裝配該超高溫推進(jìn)劑的多脈沖復(fù)合射孔器地面混凝土靶試驗(yàn)安全性能良好,兩級(jí)壓裂火藥燃燒正常,造縫作用效果明顯。

(4) 裝配該超高溫推進(jìn)劑的多脈沖復(fù)合射孔器井下施工過程中形成3個(gè)壓力峰,對(duì)目標(biāo)地層進(jìn)行壓裂造縫作用。

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