等孔徑射孔器評價方法探討

李東傳，金成福

石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（黑龍江大慶163853）

■標準化

等孔徑射孔器評價方法探討

李東傳，金成福

石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（黑龍江大慶163853）

模擬等孔徑射孔器在混凝土靶套管中的偏靠位置上射孔，可以真實地反映孔徑變化情況。通過對等孔徑射孔器、普通射孔器試驗結果的對比分析，提出利用孔徑相對偏差、相位孔徑比和孔徑相對標準偏差來評價等孔徑射孔器的孔徑一致程度，并給出了評價方法和評價指標，為等孔徑射孔器的檢驗和評價奠定了基礎，希望能為標準的制修訂提供參考。

等孔徑射孔器；間隙；檢測；評價方法

射孔施工時，由于射孔器在套管內(nèi)偏靠在一側，槍管壁與套管壁之間間隙不同，導致了射孔孔道不均一（圖1），孔徑小的部分孔道導流能力明顯降低，甚至影響了后續(xù)壓裂施工效果。尤其在水平井、大斜度井中，射孔器由于重力的作用一側貼在套管內(nèi)壁，由于間隙的影響，射孔后在套管上的孔徑大小不同：靠近套管內(nèi)壁的孔眼直徑大、遠離的直徑小。在增產(chǎn)改造時，孔徑小的孔眼注入的流體少，影響整體效果。

圖1 射孔器在套管中偏靠位置射孔示意圖

國內(nèi)外均十分重視解決射孔器在套管中不居中造成的射孔孔眼直徑不一致的問題，并研制了相應的射孔器材，能夠在套管上產(chǎn)生基本一致的穿孔孔徑，可稱之為等孔徑射孔器。主要有以下兩類產(chǎn)品：一是通過優(yōu)化設計聚能射孔彈結構，使射孔器基本不受間隙影響，以保證套管上的孔眼直徑一致，代表產(chǎn)品有哈里伯頓公司的MaxForeR-FRAC射孔彈、GEODynamics公司的FracIQTM射孔系統(tǒng)、Hunting Titian的Consistent Hole Charge射孔彈等、中國石油川慶鉆探工程有限公司測井公司的SDP35HNS25-4射孔器；二是利用扶正裝置確保射孔器居中，避免間隙的影響，具有代表性的產(chǎn)品有中國石油大慶油田有限責任公司大慶試油試采分公司的旋轉(zhuǎn)扶正裝置+普通射孔器。也有人將旋轉(zhuǎn)扶正裝置+等孔徑射孔器組合使用，希望獲得更好的效果。

GB/T 20489—2006《油氣井聚能射孔器材通用技術條件》[1]未涉及等孔徑射孔器的檢驗和評價。在分析了等孔徑射孔器技術特點的基礎上，利用地面條件下混凝土靶射孔試驗[2]在模擬井下套管中位置的條件下檢測穿孔性能，并探討了評價方法、評價指標。

1 間隙對射孔效果的影響程度及描述

射孔器在套管中的位置影響穿孔性能，即間隙影響穿孔深度和孔徑。89型射孔器（外徑89 mm）進行140 mm（5 1/2 in）套管射孔試驗時，0間隙穿孔深度值都高于大間隙狀態(tài)下的穿孔深度值，這是由于射孔器在套管中的位置不同所造成的，穿孔深度系統(tǒng)誤差為18 mm[3]。

為了研究目前現(xiàn)場使用的射孔器在不同情況下的穿孔性能，按GB/T 20488—2006《油氣井聚能射孔器材性能試驗方法》進行試驗，試驗時射孔器在套管中的位置分別居中、偏靠。2種位置條件下平均穿孔孔徑分別為9.9 mm、10.0 mm（表1），非常接近，但標準差差別大，分別為0.4 mm、1.5 mm，這主要是由于偏靠帶來的系統(tǒng)誤差造成的。0間隙時孔徑平均值最大，15 mm間隙時孔徑平均值居中，35 mm間隙時孔徑平均值最小，相位孔徑比（相位孔徑平均值中極大值/極小值）為1.42。

蔡山等用孔徑差異度描述穿孔孔徑間的波動程度，該指標給出孔徑分布范圍占平均值的比例，見式1。郭鵬等用相對偏差、相對標準偏差也就是Chris Sokolove等的相對波動范圍（Range）、變異系數(shù)（Coeffcient of Variation）描述穿孔孔徑間的波動程度，相對偏差給出每一個孔徑值與平均值的差異占平均值的比例，見式2，與孔徑差異度相似，但強調(diào)的是個體；相對標準偏差給出孔徑波動大小占平均值的比例，見式3，強調(diào)整體。這3個指標從不同角度描述了射孔孔徑一致性程度，能夠明顯區(qū)分射孔器居中、偏靠條件下穿孔孔徑特點，均可以作為判定射孔孔徑一致程度的指標。

孔徑差異度＝[（最大值－最小值）/2]/平均值×100%（1）相對偏差＝（測量值－平均值）/平均值×100%（2）相對標準偏差＝標準差/平均值×100%（3）

2 井下施工對孔徑均一程度的要求

姜民政等[4]通過壓裂液在射孔孔眼處損失規(guī)律研究后認為，相同壓裂條件下，泵入排量、有效孔眼數(shù)及射孔直徑是射孔孔眼局部位置處壓力損失的主要影響因素，排量越大、有效孔眼數(shù)越少及射孔孔眼直徑越小，孔眼位置處壓力損失越大[5-6]。

謝榮華等[7]認為對于水平井同一段壓裂井段，假設上下孔眼位置的巖石物性相同，對于已壓開的裂縫，裂縫延伸端部的壓力相同，則從井筒到上下孔眼裂縫端部的壓力損失相同，可推導出流經(jīng)水平井上下孔眼的流量關系。按該關系計算出了最大與最小孔徑比及與裂縫長度比間的關系（圖2），壓裂時，流經(jīng)上下孔眼的流量比等于孔眼面積比的平方。流量比越接近1，表明裂縫均勻延伸，流量比相差越大，裂縫的非均質(zhì)延伸越明顯，將影響壓裂效果。

圖2 相位孔徑比與壓裂裂縫長度比間的關系

目前，國內(nèi)壓裂施工設計中沒有針對孔眼均勻性的規(guī)定，一般認為壓裂裂縫非均質(zhì)延伸控制在20%范圍內(nèi)均可接受。水平井壓裂可分為普通壓裂和體積壓裂，普通壓裂射孔段較長，一般3 m以上，體積壓裂射孔段較短，一般0.5 m左右，但一次壓裂4段（簇）左右。因此，普通壓裂宜從整體考慮，相位孔徑比不大于1.1較合理；體積壓裂宜以簇為單位考慮，即為用簇代替相位較合理。

3 判定指標的確定

3.1 等孔徑射孔器

統(tǒng)計了按GB/T 20488—2006中地面條件下混凝土靶射孔試驗（試驗時等孔徑射孔器偏靠在套管內(nèi)側）結果（表2）。這表明穿孔孔徑均一性好的等孔徑射孔器相對偏差在±10%范圍內(nèi)、相對標準偏差≤6.0%、孔徑差異度≤9%，其對應的相位孔徑比小于1.1。Chris Sokolove等給出的等孔徑射孔器的相對標準偏差（Coeffcient of Variation）為5.9%，孔徑差異度（Range）為18.3%。

3.2 普通射孔器與旋轉(zhuǎn)扶正器組成的等孔徑射孔器

對于普通射孔器與旋轉(zhuǎn)扶正器組成的等孔徑射孔器，可利用在套管內(nèi)居中位置試驗得到的穿孔孔徑數(shù)據(jù)來評價其孔徑的均一程度。統(tǒng)計2016年國內(nèi)具有代表性的普通聚能孔器產(chǎn)品，以外徑89mm射孔器居中試驗結果為例分析產(chǎn)品整體水平（表3）。普通聚能射孔器產(chǎn)品在居中條件下穿孔孔徑波動幅度不同，穩(wěn)定的相對偏差在±10%范圍內(nèi)、相對標準偏差≤6%、孔徑差異度≤10%，不穩(wěn)定的相對偏差一個或幾個超過10%、相對標準偏差達到11.0%、孔徑差異度達到16.8%。

表2 外徑89 mm等孔徑射孔器在外徑139.7mm套管中偏靠位置射孔試驗結果分析

4 評價方法

理想的等孔徑射孔器的射孔孔徑均一，但受制造技術等因素的制約無法實現(xiàn)。目前，部分產(chǎn)品能夠滿足現(xiàn)場要求的相位孔徑比≤1.1的要求。

相位孔徑比、相對標準偏差、孔徑差異度均可不同程度地反映組內(nèi)個體的分布情況，如果選為評價參數(shù)，則可能出現(xiàn)單個數(shù)據(jù)波動很大的現(xiàn)象，且無法確定極值數(shù)據(jù)的個體數(shù)量。如以相位孔徑比≤1.1、相對標準偏差≤6%、孔徑差異度≤10%為判定值，可能出現(xiàn)單個數(shù)據(jù)的相對偏差＞10%的現(xiàn)象。表3中E型產(chǎn)品相位孔徑比1.00、相對標準偏差4.8%、孔徑差異度10.0%，有一個孔徑相對偏差＞10%，為13.1%。相對偏差描述的是組內(nèi)的個體，與相對標準偏差、孔徑差異度、相位孔徑比密切相關,如果選為評價參數(shù)，可控制單個孔徑波動幅度和超過該幅度的量。如果允許1個或幾個值超過10%，也可選擇計數(shù)抽樣的方案解決。因此，選相對偏差作為評價參數(shù)較為合適，必要時再輔助相位孔徑比、相對標準偏差等指標也是可行的。相位孔徑比評價指標初步定為≤1.1，相對標準偏差評價指標初步定為≤6.0。

表3 外徑89 mm聚能射孔器在外徑139.7 mm套管中居中位置射孔試驗結果分析

相對偏差采用計數(shù)抽樣方案。計數(shù)抽樣檢驗方案按國家相關標準的規(guī)定確定。

5 結論與建議

1）利用地面條件下混凝土靶射孔試驗模擬射孔器在井下套管中的位置檢測等孔徑射孔器的穿孔深度、穿孔孔徑等性能指標，真實地反映等孔徑射孔器的穿孔性能。

2）利用“相對偏差”可以合理地評價穿孔孔徑的一致性，結合施工需求及國內(nèi)外產(chǎn)品整體水平確定了評價值。并給出了與之對應的計數(shù)抽樣檢驗方案。

3）相位孔徑比、相對標準偏差和孔徑差異度均可不同程度地反映組內(nèi)個體的分布情況，作為評價指標在產(chǎn)品穩(wěn)定性好的情況下能夠準確描述孔徑有一致程度。當產(chǎn)品穩(wěn)定差時，可能出現(xiàn)一個或幾個孔徑值異常大或小的現(xiàn)象，與相對偏差等描述個體的指標結合使用更合理。

[1]國防科學技術工業(yè)委員會.油氣井聚能射孔器材通用技術條件：GB/T 20489—2006[S].北京：中國標準出版社,2007.

[2]國防科學技術工業(yè)委員會民用爆破器材服務中心.油氣井聚能射孔器材性能試驗方法：GB/T 20488—2006[S].北京：中國標準出版社,2007.

[3]李東傳,金成福,徐艷萍,等.關于SY/T 5128—1997標準中穿孔深度判定方法所存在的系統(tǒng)誤差[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督,2012,28(8)：32-34.

[4]姜民政,曹彥鵬,葉鵬,等.壓裂液在射孔孔眼處壓力損失規(guī)律研究[J].石油礦場機械,2011,40(3)：1-4.

[5]朱軍,田仲強,趙明宸,等.油水井射孔孔眼對全井滲透率的影響分析[J].石油石化節(jié)能,2003,19(10)：18-19.

[6]周田生.射孔水平井孔眼密度優(yōu)化分析[J].石油鉆探技術, 2007,35(5)：55-57.

[7]謝榮華,王文軍.偏心射孔對水平井壓裂的影響[J].測井技術,2015,39(5)：660-664.

To simulate the perforation of constant diameter perforator in concrete target casing can really reflect the size change of perforated holes.Through comparative analysis of the test results of constant diameter perforator with conventional perforator,it is suggested that the relative deviation of perforated hole diameter,phase hole diameter ratio and ratio and the relative standard deviation of hole diameter are used as the parameters for evaluating the consistency of the perforated holes,and the evaluation method and the evaluation indexes are presented,which lays a foundation for the inspection and evaluation of constant diameter perforator,and is hoped to provide reference for the setting and revision of the related standards.

constant diameter perforator;clearance;detection;evaluation method

路萍

2017-03-01

李東傳（1969-），男，高級工程師，現(xiàn)從事射孔器材檢驗工作。