油氣井射孔技術的現(xiàn)狀與發(fā)展

路利軍，孫志忠，賀紅民，扈 勇，許 琦，劉繼紅

（中國石油集團測井有限公司長慶事業(yè)部，西安710077）

油氣井射孔技術的現(xiàn)狀與發(fā)展

路利軍，孫志忠，賀紅民，扈 勇，許 琦，劉繼紅

（中國石油集團測井有限公司長慶事業(yè)部，西安710077）

射孔技術作為完井工程的重要組成部分和試油技術的主要環(huán)節(jié)，是利用高能炸藥爆炸形成的射流射穿油氣井管壁、水泥環(huán)和部分地層，建立油氣層和井筒之間油氣流通道的一種技術。隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，復雜的儲層類型以及多樣的油氣井完井工程對射孔技術提出了更高的要求。為滿足不同的需求，近些年來射孔技術也得到了快速發(fā)展。主要介紹了油氣井射孔工藝技術的現(xiàn)狀以及將來可能的發(fā)展方向。

起爆技術；自清潔射孔；定面射孔技術；油氣井；射孔彈

1 引言

油氣井爆破是為了穿透套管及水泥環(huán)、構成目的層至套管的油氣通道。最初，其目的比較單純，技術手段也比較單一，主要有子彈式射孔器、魚雷式射孔器等，由于子彈式射孔器的穿深極為有限，經常無法形成有效的射孔孔道，影響后續(xù)的正常生產。自從將反裝甲武器的聚能效應﹝1﹞應用于油氣井射孔后，極大的提高了射孔穿深，引領了油氣井爆破行業(yè)的快速發(fā)展，也成為了油氣井爆破行業(yè)的主流技術。經過多年來的努力，通過引進、吸收和研發(fā)，國內的射孔彈、射孔工藝以及施工設計優(yōu)化也得到了飛速發(fā)展。油氣井射孔目的由最初的射穿油氣層，打開油氣流通道，轉變?yōu)楦脑煊蜌鈱?，輔助提高油氣單井產能。特別是近些年提出了射孔技術與壓裂技術結合，科學合理的完成油氣儲層整體開發(fā)。

2 射孔技術現(xiàn)狀

2.1 起爆技術

電纜射孔作業(yè)中，為了防止射孔施工周圍環(huán)境可能存在的射頻、雜散電流或靜電對電雷管的影響，油氣井使用的電雷管經過持續(xù)改進，發(fā)展到現(xiàn)在普遍使用的有需要非常高的特定頻率電流方可起爆的磁電雷管和1 A以上電流起爆的大電流雷管，極大的提高了電雷管使用的安全性能。特別是近幾年國內引進、研發(fā)出了無起爆藥的EFI雷管和EBW雷管﹝2﹞，其是通過爆炸鉑或爆炸橋絲引爆猛炸藥完成起爆，消除了熱橋絲電雷管對射頻、雜散電流或靜電敏感的缺陷。另外，DYNA公司將集成電路模塊應用在電雷管內，研發(fā)出了需要特定脈沖序列起爆的RF-Safe雷管，使用更加安全可靠﹝3﹞。

油管輸送射孔起爆方式有多種，選擇不合理可能導致起爆失敗或射孔作業(yè)返工。從起爆的機理劃分，主要有機械撞擊起爆和壓力起爆兩種。根據不同的工程需求及實際井況，又可細分為用于油管輸送射孔-測試聯(lián)作起爆的環(huán)空壓力起爆，井筒負壓射孔的機械撞擊式起爆，多層同時射孔的多級投棒起爆、多級增壓起爆或壓力延時起爆，一次性管柱完井的全通徑射孔等等。國外已研發(fā)出了通過時間倒計時激發(fā)或采用一系列壓力脈沖激發(fā)的智能起爆儀，適用于連續(xù)油管或油管輸送的分簇射孔作業(yè)。

2.2 穿透技術

射孔彈被喻為打開油氣寶藏的“金鑰匙”，主要由藥型罩、殼體、炸藥三部分組成。它的穿孔深度直接影響著油氣井的產能。射孔彈穿孔越深，溝通的地層裂縫就越多，從地層流進孔道的油氣也越多，油氣開發(fā)的產量就越高。90年代初，國內引進了先進的射孔彈生產線，開展了技術革新。射孔彈穿深逐漸加深，先后突破了400 mm，700 mm，1 000 mm。2008年以后，國內各家射孔彈廠通過創(chuàng)新設計藥型罩結構及裝藥結構，提高了射孔彈穿孔性能。采用混合粉末制備工藝，改善了藥型罩密度分布均勻性。應用粉末藥型罩高溫熱處理工藝，改善了金屬射流的連續(xù)性，提高了射孔彈的穿孔深度。表1給出了美國API協(xié)會公布的幾個代表性廠家相同型號射孔器混凝土靶測試數據﹝4﹞。標志著我國射孔彈穿深達到了國際領先。

表1 國內外部分廠家射孔器穿深指標Table 1 Perforating depth index of some manufacturers at home and abroad

另外，射孔作業(yè)中，選用射孔器的外徑由井眼內徑決定，在滿足施工安全的條件下，通常選用的射孔器與井眼之間的間隔最小，更有利于射孔器發(fā)揮其最佳的穿透效果。但是在水平井射孔作業(yè)時，射孔器的外徑比直井內的外徑小一些，同時射孔器在井眼中處于偏心狀態(tài)。使用常規(guī)的射孔彈射孔后距離射孔器近的下部套管穿孔效果正常，但距離射孔器遠的套管孔眼明顯變小，同時穿深大幅度降低，如圖1（b）所示。國外生產廠家已研發(fā)出了不受井眼位置限制的孔眼一致性射孔彈，射孔器在井眼處于偏心位置射孔后在套管上形成的孔眼大小基本一致，更有利于后期壓裂，如圖1（a）所示。通過上井試驗證明，使用壓裂射孔彈可以降低井口破裂壓力，提高油氣井產能，延長單井采油周期。

圖1 射孔彈穿孔效果Fig.1 Perforation effect of perforator

2.3 自清潔射孔技術

聚能射孔過程中，金屬射流作用在巖石上，射孔孔道周圍將形成巖石壓實帶，孔道前端形成杵堵，降低了原始地層的滲透率，阻礙了地層流體流向井筒﹝5﹞。自清潔射孔是將聚能射孔與高能氣體壓裂或放熱反應相結合，射孔的同時產生高能氣體或強烈的放熱反應作用于孔道，大量氣體和熱量改善壓實帶滲流特性，并將孔道內脫落的巖石碎屑和金屬粉末從孔道內清除，最終實現(xiàn)清潔孔道、提高導流能力的目標。同時射孔孔道以裂縫形式向前延伸擴展，形成多條多方位裂縫，從而達到改善產層與井眼之間的連通性，增加滲流面積，提高油氣井產能。自清潔射孔效果如圖2所示。

目前的自清潔射孔﹝6﹞主要是包括復合射孔技術和孔道內二次釋能的后效射孔技術。

復合射孔技術是利用了炸藥爆炸與復合推進劑燃燒兩種能量結合作用的原理設計而成。當射孔器點火后，導爆索爆轟起爆射孔彈，射孔彈以微秒級速度先完成射孔，聚能射流射穿套管及水泥環(huán)，并在地層中形成一定長度的孔道，同時被點燃的增效藥以毫秒級的速度形成一定高溫高壓氣體，以沖擊加載的形式沿射孔孔道擠壓沖擊地層，對射孔壓實帶進行改造。目前使用的復合射孔工藝根據復合藥安裝的位置及作用效果，分為內置式彈間安裝復合射孔器、射孔器下端連接復合藥的下掛式復合射孔器、復合藥套裝在射孔槍外的袖套式復合射孔器，以及為了增加復合藥的能量在彈架上同時安裝復合藥的多級脈沖復合射孔器等等。形式多樣，各有優(yōu)缺點。

圖2 自清潔射孔效果Fig.2 The effect of self-cleaning perforating

后效射孔技術是近些年國內研制出的將聚能射孔與非爆類特效藥粉相結合工藝技術，特效藥粉是由一些易燃金屬氧化物所構成。起爆后借助射孔金屬射流將這些特效藥粉帶入射孔孔道，在射孔孔道內產生強烈的放熱反應，瞬間釋放出具有一定質量的動能波及應力波，以微秒時間持續(xù)作用于孔道內壁，改變孔道的幾何形態(tài)，瓦解影響孔眼滲流的壓實層，作用效果類似與復合射孔。不同之處在于復合射孔是在井筒內發(fā)生作用，載藥量大但能量損失嚴重，而特效藥粉是在射孔孔道內發(fā)生作用，裝藥量小但能量利用率較高。目前國內將這種特效藥安裝在射孔彈的前端或與金屬藥型罩壓制在一起，以便射孔過程中金屬射流將特效藥粉帶入射孔孔道。

2.4 特殊射孔工藝

油管輸送射孔由于其輸送能力強；適用于高壓油氣井，施工安全；可實現(xiàn)負壓射孔保護油氣層等技術特點，根據施工需求，與其他射孔工藝相結合形成了形式多樣的油管輸送射孔工藝。例如：為一次性完成大跨度，射孔段較長的油管輸送多級射孔工藝技術；為避免壓井作業(yè)對地層帶來的傷害，縮短試油周期，形成了射孔-酸化聯(lián)作、射孔-壓裂聯(lián)作、射孔-測試聯(lián)作、射孔-下泵聯(lián)作以及全通徑射孔工藝﹝7﹞。

定向射孔是利用相應的定向儀器或工具實現(xiàn)對射孔方向的控制，以達到優(yōu)化射孔方案的目的，主要包括直井定方位﹝8﹞和水平井自定向技術。水平井自定向是依靠偏心配重的作用實現(xiàn)射孔自定向。直井定方位射孔是依靠方位測量儀測量射孔器或定位鍵的方位，然后通過地面旋轉管柱或調整射孔彈與定位鍵之間的夾角實現(xiàn)定方位，主要分為油管輸送和電纜輸送兩種，如圖3所示。由于后者操作簡單方便，所以使用更為廣泛。

圖3 油管輸送定方位射孔Fig.3 Tubing conveying perforation location

另外，常規(guī)射孔器多采用為60°相位或90°相位螺旋布孔格式，每發(fā)射孔彈的射孔方向與井眼相互垂直，壓裂時裂縫沿最大主應力方向擴展。而定面射孔采用特制超大孔徑射孔彈及特殊布彈方式，每3發(fā)彈成一簇，每簇射孔后形成一個扇面并與套管橫截面相互垂直，如圖4所示。由于同一橫截面上出現(xiàn)多個孔眼，在井筒徑向方向就形成了應力集中。與常規(guī)射孔相比，有助于壓裂破碎巖層，從而降低井口破裂壓力﹝9﹞。同時壓裂裂縫沿應力集中面向井筒徑向擴展，控制裂縫走向，水平井分段壓裂射孔作業(yè)時避免段與段之間壓裂裂縫交叉串通，直井底水油氣層射孔作業(yè)時，可有效控制底水，提高單井產能。

圖4 定面射孔示意圖Fig.4 Schematic diagram of fixed surface perforation

水力泵送橋塞-射孔聯(lián)作是國內近些年來針對水平井頁巖氣層或致密油氣層開發(fā)的一種射孔新工藝。是在井口帶壓的環(huán)境，利用電纜連接多根射孔器和橋塞工具，依靠水力泵送，一次下井完成橋塞封堵及分段射孔作業(yè)。槍串結構如圖5所示。其與“體積壓裂”技術配合，能夠在最短的時間內完成水平井分段封堵、分段壓裂。保證高效、經濟、完美的打開各段油氣儲層。主要包含以下技術要點：分級點火技術、水力泵送技術、速鉆橋塞技術以及大通徑井口電纜防噴技術等。北美地區(qū)85%的致密油氣和頁巖氣開發(fā)均采用此項技術。

圖5 水力泵送橋塞-射孔聯(lián)作工具串示意圖Fig.5 Schematic diagram of multi-level perforating combined line bridge plug of the unconventional horizontal wells

2.5 射孔方案優(yōu)化

射孔作業(yè)參數主要包括孔密、孔深、孔徑、相位、污染深度、污染程度等，選用不同的參數對油氣井的產能將有不同的影響，因此為了能夠獲得理想的射孔效果，需要對射孔方案進行優(yōu)化選擇。當前國外一些從事射孔服務行業(yè)的企業(yè)已經開發(fā)了針對不同油藏地質條件和井眼狀況的射孔方案優(yōu)化軟件，方便選用合理的施工方案，預測施工效果。大慶試油試采分公司、四川測井公司、中國石油集團測井有限公司等均開發(fā)了不同區(qū)域地層的優(yōu)化設計軟件，可結合射孔工藝、地層條件及開發(fā)目的等進行區(qū)域或單井射孔方案設計，提供優(yōu)化的射孔器選擇及產能預測。但由于地質環(huán)境的復雜性及參數的多變性，方案優(yōu)化的準確性和適用性還需不斷驗證和完善。

3 射孔技術發(fā)展方向

3.1 耐高溫、耐高壓爆破器材及工藝的研究與應用

當前，我國陸續(xù)在四川、塔里木等地發(fā)現(xiàn)的一批深層、超深層油氣資源，氣藏埋深普遍在5 500～8 500 m。對于深層、超深層油氣層，由于井下溫度高、壓力高、射孔作業(yè)管柱工況復雜，常規(guī)射孔器材不能滿足深井安全、高效作業(yè)要求。因此需要開展深層、超深層油氣藏用射孔器技術研究，開發(fā)出更高耐壓、更高耐溫，6 000 m以上深井射孔需求的耐高溫、耐高壓深井穿透射孔器材，破解深井、超深井射孔器材國產化難題，降低勘探開發(fā)費用，促進深部油氣藏高效開發(fā)；因此，超深油氣井中耐高溫、耐高壓爆破器材的研究將成為國內油氣井爆破器材行業(yè)未來的攻關目標。

3.2 非常規(guī)爆破技術

以頁巖油氣、致密油氣藏為未來主要開采方向的非常規(guī)油氣藏的配套爆破技術需要進一步研究、完善和提高，目前國內外開展的以“水平井＋體積壓裂”為主流的射孔工藝技術的開發(fā)，需要更加深入的研究配套其智能化分級起爆器材、全可溶橋塞等關鍵技術，以便為非常規(guī)油氣藏體積壓裂開發(fā)提供可靠的技術支撐并降低水平井全井開發(fā)成本。在國外，此類產品已經開始推廣應用。典型的產品有PROBE公司生產的智能起爆器；DYNA公司設計生產的RF雷管等；GUARDIAN公司生產的電子選發(fā)模塊等，其器材無論在結構尺寸上還是使用智能性上都遠遠優(yōu)于國內產品。而在國內由于受到電子元器件功能的限制，類似產品尚未在石油射孔領域大量應用。因此智能化起爆、傳爆技術是國內器材發(fā)展的趨勢之一，也是緊跟國內外市場的需求。

3.3 老井改造配套技術的研發(fā)

隨著石油天然氣工業(yè)的發(fā)展，我國的油氣田開發(fā)已經從陸地開采延伸到對內海、灘海和淺海的開采，甚至向深海進行開發(fā)。一方面，國內從發(fā)現(xiàn)大慶油田至今，已建成十座較大規(guī)模的油田；由于長時間采油、注水、壓裂等井下工藝的施工，再加上地層移動、常年腐蝕等諸多因素的影響，使井下的套管發(fā)生變形、縮頸、錯斷或腐蝕形成漏洞，造成大量油井停產，不能正常生產。另一方面，目前海上每年以數百口井的速度遞增，而多年來遺留在海上不再產油的廢棄井口及海洋鉆井平臺的樁腿、導管架形成了海上通航的障礙物，嚴重危害和影響了航運、船舶作業(yè)、捕撈作業(yè)中的人員生命財產和安全，更影響潛水艇水下活動的安全。因此，針對此類套損井、報廢井的配套爆炸整形、爆炸焊接加固及高能氣體動力補貼加固技術和針對水下不同規(guī)格管材的爆炸聚能切割技術等工程技術的研究、配套和規(guī)模應用，必將為油氣井的增產及延長壽命提供強有力的技術支持，同時，對我國的海洋石油開發(fā)，沉船打撈、航道疏浚、軍事國防等均能發(fā)揮重要作用。

3.4 模擬性能檢測與評價技術研究

科學、合理地選擇爆破器材，是降低施工成本、有效提升施工效率的關鍵，也是科學指導油氣井爆破射孔器材產品開發(fā)的基礎，這是目前國內油氣井爆破行業(yè)的不足，今后需加強開展和研究。

穿深超1.8 m的射孔彈、孔眼一致性射孔彈等新型射孔器材及前沿技術與國外技術還存在一定的差距，持續(xù)跟蹤同行業(yè)技術發(fā)展，繼續(xù)優(yōu)化射孔彈的穿透性能，加快研究和發(fā)展步伐，保持與世界先進技術一致，是我們始終的目標和追求。

4 結語

隨著國內外油氣藏開發(fā)類型的不斷豐富，油氣田開發(fā)難度不斷增大，特別是近些年受國際油價影響以及油藏開采觀念的轉變，將對射孔技術也提出更高的要求。射孔技術在保護儲層、提高產能和作業(yè)效率，提高油田最終采收率等方面將發(fā)揮越來越重要的作用，同時需要一個服務射孔、方便交流的技術平臺來推進油氣井射孔的發(fā)展。

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Present situation and development of perforation technology in oil and gas well

LU Li-jun，SUP Zhi-zhong，HE Hong-min，HU Yong，XU Qi，LIU Ji-hong
（Changqing Division，China PetroIeum Logging Co.，Ltd.，Xi，an 710077，China）

Perforation technology was an important part of well completion engineering and the main part of oil testing technology.The metal jet was formed after the explosion of high energy explosive.It penetrated oil and gas well pipe wall，cement ring and part formation，and oil flow passage was formed between oil gas reservoir and well bore.With the development of oil and gas exploration and development，more advanced perforation technology was required to apply to complex reservoir types and various oil and gas well completion engineering.In order to meet the different needs，perforation technology had been developed rapidly in recent years.The current situation and future development trend of perforation technology in oil and gas well was introduced mainly.

Initiation technique；Self cleaning perforation；Fixed surface perforation technique；Oil and gas well；Perforator

TD235

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.017

1006-7051（2016）05-0087-05

2016-06-07

路利軍（1965-），工程師，從事油氣井測井、射孔技術工藝研究。E-mail：172169910@qq.com