射角對(duì)定射角射孔器穿深性能影響試驗(yàn)研究

李東傳,張偉民,張建峰

(1.石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,黑龍江 大慶 163853;2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司,黑龍江 大慶 163412;3.西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司,陜西 西安 710061)

0 引 言

定射角射孔技術(shù)又稱為平行儲(chǔ)層射孔技術(shù),是針對(duì)目前射孔方向均與射孔槍垂直,對(duì)于儲(chǔ)層和井筒斜交的情況,尤其是對(duì)于斷層附近薄層斜井施工時(shí),極易發(fā)生射孔穿層,影響完井效果,而開發(fā)的一項(xiàng)射孔技術(shù)。還可與定方位射孔技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)射孔孔道方向與目的層主應(yīng)力方向平行,有利于后續(xù)壓裂等施工[1-2];背向或避開斷層的射孔,避免水力壓裂時(shí)與斷層連通,導(dǎo)致壓裂無效。

部分生產(chǎn)廠家、油田用戶已開展了定射角射孔器材產(chǎn)品的研制及應(yīng)用效果研究[3-5],希望通過該技術(shù)的使用獲得更好的施工效果。張少程等[3]在地面進(jìn)行了單發(fā)彈射孔試驗(yàn),認(rèn)為射角在0°～40°范圍內(nèi),由于射角增大,槍內(nèi)炸高和槍外間隙也隨之增大,從而提高了聚能射孔彈的穿深,在一定程度上彌補(bǔ)了“著角”的影響。但單發(fā)彈在模擬試驗(yàn)時(shí)的裝配結(jié)構(gòu)與1 m定射角射孔器中的裝配結(jié)構(gòu)差別大。本文利用試驗(yàn)研究了現(xiàn)場(chǎng)常用的1 m定射角射孔器中射角對(duì)聚能射孔彈彈穿深性能的影響程度,并探討了影響的原因。

1 定射角射孔器試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

定射角射孔器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(見圖1)為射孔器中奇數(shù)(或偶數(shù))聚能射孔彈彈射流方向與常規(guī)射孔器中的一樣(與射孔槍垂直),其相鄰的聚能射孔彈的射流方向與原射流方向有夾角,通常稱為定射角射孔器的射角。由于射角的影響,定射角射孔器具有與正常聚能射孔器的不同的穿孔特點(diǎn),為了確定射角對(duì)定射角射孔器性能的影響,進(jìn)行了15°、30°、40°和45°定射角射孔器地面穿孔性能對(duì)比試驗(yàn)。

圖1 聚能射孔彈排布結(jié)構(gòu)示意圖

定射角射孔器選用現(xiàn)場(chǎng)常用的長(zhǎng)1 m,外徑89、102 mm定射角射孔器(13孔/m),試驗(yàn)用聚能射孔彈分別是裝藥量25 g的A型和39 g的B型聚能射孔彈,每種樣品均選同一批生產(chǎn)的產(chǎn)品。

1.2 射孔試驗(yàn)

試驗(yàn)使用的混凝土靶是按照GB/T 20488—2006《油氣井聚能射孔器材性能試驗(yàn)方法》[6]要求制作的,同一批制作,澆注成型后靶表面上覆不低于76 mm高的清水,在0 ℃以上至少養(yǎng)護(hù)了28 d,且保持這種狀態(tài)直到試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),射孔器居中放置,環(huán)空注滿清水,然后射孔、測(cè)量。

2 定射角射孔器試驗(yàn)結(jié)果分析

外徑89 mm定射角射孔器,15°射角的聚能射孔彈的平均穿孔深度、穿孔孔徑與直射的聚能射孔彈的指標(biāo)基本相同(見表1)。15°、30°、40°和45°射角的聚能射孔彈的平均穿孔深度由832 mm下降到547 mm,標(biāo)準(zhǔn)差由64 mm上升到147 mm,平均穿孔深度波動(dòng)幅度增大。4組試驗(yàn)中直射的聚能射孔彈的平均穿孔深度由825 mm下降到678 mm,標(biāo)準(zhǔn)差由48 mm上升到104 mm,平均穿孔深度波動(dòng)幅度增大。平均穿孔孔徑有所減少,但幅度不大。

外徑102 mm定射角射孔器,15°射角的聚能射孔彈的平均穿孔深度、穿孔孔徑與直射的聚能射孔彈的指標(biāo)基本相同(見表2)。15°、30°、40°和45°射角的聚能射孔彈的平均穿孔深度由985 mm下降到519 mm,標(biāo)準(zhǔn)差91～244 mm,平均穿孔深度波動(dòng)幅度增大。4組試驗(yàn)中直射的聚能射孔彈的平均穿孔深度有下降趨勢(shì),標(biāo)準(zhǔn)差為62～196 mm,平均穿孔深度波動(dòng)幅度增大。平均穿孔孔徑有所減少,但幅度不大。

3 研究與探討

3.1 射角對(duì)定射角射孔器穿孔性能的影響

試驗(yàn)用的2組混凝土靶的抗壓強(qiáng)度分別為53.6～54.6 MPa、 53.8～55.3 MPa(見表3),穩(wěn)定性好,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響小。

表1 外徑89 mm定射角射孔器試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表2 外徑102 mm定射角射孔器試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

外徑89 mm定射角射孔器,射角由15°、30°、40°到45°的聚能射孔彈的平均穿孔深度與同槍中直射的聚能射孔彈的平均穿孔深度比最大下降了19.3%,平均孔徑變化不大(<5%)。外徑102 mm定射角射孔器,射角由15°、30°、40°到45°的聚能射孔彈的平均穿孔深度與同槍中直射的聚能射孔彈的平均穿孔深度比最大下降了35.6%,平均孔徑變化不大,孔徑比增加6.5%(見表4),穿孔深度、穿孔孔徑的波動(dòng)明顯增大。射角影響定射角射孔器的平均穿孔深度,隨著射角的增加影響程度增大,同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差也在增大,表明帶射角聚能射孔彈性能下降不僅是射流以某角度撞擊射孔槍壁、套管壁造成的,還可能是由于定射角射孔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成的某種程度的彈間干擾造成的。

表3 外徑89 mm定射角射孔器射角影響分析

表4 外徑102 mm定射角射孔器射角影響分析

3.2 定射角射孔器中直射的聚能射孔彈穿深受到影響

外徑89 mm定射角射孔器,15°射角的定射角射孔器中的帶射角聚能射孔彈的平均穿孔深度與同槍中直射的聚能射孔彈的穿孔深度基本一致,標(biāo)準(zhǔn)差較小(48～62 mm),表明基本未受影響;45°射角的定射角射孔器中直射的聚能射孔彈的穿孔深度與15°射角的槍中直射的聚能射孔彈的穿孔深度比下降了17.8%,標(biāo)準(zhǔn)差上升到104 mm,標(biāo)準(zhǔn)差上升表明直射聚能射孔彈也受到了某種程度的影響。可見,定射角射孔器中帶射角聚能射孔彈引起的某種程度的彈間干擾也影響到了同槍中直射的聚能射孔彈,使其平均穿孔深度逐漸下降,最大達(dá)到了17.8%。如果考慮定射角射孔器中直射的聚能射孔彈穿深性能的下降,45°射角聚能射孔彈的平均穿孔深度總體下降了33.7%(見圖2)。

圖2 外徑89 mm定射角射孔器穿深變化規(guī)律

外徑102 mm定射角射孔器,15°射角的定射角射孔器中的帶射角聚能射孔彈的平均穿孔深度與同槍中直射的聚能射孔彈的穿孔深度基本一致,標(biāo)準(zhǔn)差明顯增大(95～135 mm),已顯示出受到干擾的跡象;45°射角的定射角射孔器中直射的聚能射孔彈的平均穿孔深度與15°射角的槍中直射的聚能射孔彈的平均穿孔深度變化不大,但標(biāo)準(zhǔn)差上升到62～244 mm,表明產(chǎn)品極不穩(wěn)定。

3.3 定射角射孔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起的彈間干擾

外徑89、102 mm的普通聚能射孔器在16孔/m的條件下不會(huì)產(chǎn)生彈間干擾,而2組定射角射孔試驗(yàn)顯示,出現(xiàn)了不同程度的彈間干擾。利用公式(1)可以簡(jiǎn)單判斷聚能射孔器中是否存在彈間距引起的干擾現(xiàn)象:視起爆速度≥476 m/s時(shí),彈間干擾不明顯[7]。計(jì)算外徑89、102 mm定射角射孔器在13孔/m

的條件下(見表5)的最低視起爆速度分別為1 478、1 070 m/s,表明聚能射孔彈排列密度不是引起彈間干擾的原因。

va=Lv/l

(1)

式中,va為視起爆速度,m/s;L為彈間距(邊緣距),m;v為導(dǎo)爆索爆速,m/s;l為彈間導(dǎo)爆索長(zhǎng)度,m。

與普通射孔器中導(dǎo)爆索均勻、平緩繞行在聚能射孔彈的尾部相比,定射角射孔器中導(dǎo)爆索線路中出現(xiàn)較多帶角度的波動(dòng)。這是由于聚能射孔彈以一定角度安裝在彈架上,原導(dǎo)爆索槽的角度、彈架結(jié)構(gòu)與導(dǎo)爆索的走向不再一致,裝配過程中,操作人員強(qiáng)行使其配合,導(dǎo)致導(dǎo)爆索變形造成的。即便這樣操作,導(dǎo)爆索與聚能射孔彈的起爆孔接觸效果也會(huì)變差且導(dǎo)爆索變形明顯,一方面影響了導(dǎo)爆索的爆速;另一方面影響了起爆效果,綜合所致,表現(xiàn)為定射角射孔器中不同程度的穿孔深度下降、數(shù)據(jù)波動(dòng)增大。

完成了改進(jìn)彈架結(jié)構(gòu)的45°射角的外徑89 mm定射角射孔器混凝土靶射孔試驗(yàn),帶射角聚能射孔彈的平均穿孔深度為672 mm、標(biāo)準(zhǔn)差為65 mm,同槍中直射的聚能射孔彈的穿孔深度為749 mm、標(biāo)準(zhǔn)差為59 mm,與改進(jìn)前相比穿孔深度明顯提高,標(biāo)準(zhǔn)差明顯降低(見表6)。表明通過調(diào)整定射角聚能射孔彈的導(dǎo)爆索槽角度、彈架結(jié)構(gòu)可以減少導(dǎo)爆索線路中的波動(dòng)、角度,降低對(duì)爆速的影響,同時(shí)改善了導(dǎo)爆索與聚能射孔彈傳爆孔的接觸,獲得了更好的起爆效果。但由于帶射角彈形成的射流“著角”入靶所造成的影響是無法通過射孔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來消除的,定射角射孔器的穿孔性能隨著射角的增加而降低是其射孔原理決定的。

表5 射孔器內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)

注:①83.9/96.6為對(duì)應(yīng)射角的聚能射孔彈兩邊導(dǎo)爆索的長(zhǎng)度;②2539/2205為對(duì)應(yīng)射角的聚能射孔彈兩邊導(dǎo)爆索的視起爆速度。

表6 外徑89 mm定射角射孔器結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論與建議

(1)射角影響定射角射孔器的穿孔深度,隨著射角的增加穿孔深度逐漸下降。外徑89 mm定射角射孔器,15°射角與直射的聚能射孔彈的穿孔深度基本一致;45°射角聚能射孔彈與同一射孔器中直射的聚能射孔彈的穿孔深度相比下降了19.3%、與15°定射角射孔器中直射的聚能射孔彈的穿孔深度相比下降了33.7%;外徑102 mm定射角射孔器穿孔深度下降幅度大,且波動(dòng)大,受到的影響程度更大。

(2)射角變化引起了定射角射孔器中的聚能射孔彈的導(dǎo)爆索槽、彈架與導(dǎo)爆索不匹配,影響了導(dǎo)爆索的爆速和對(duì)聚能射孔彈的起爆效果,在降低了帶射角聚能射孔彈的穿孔深度的同時(shí),也影響到直射的聚能射孔彈的穿孔深度。通過改進(jìn)定射角射孔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以降低導(dǎo)爆索引起的性能降低,而由帶射角彈形成的射流“著角”入靶所造成的影響無法通過射孔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來消除。

(3)建議進(jìn)一步開展定射角射孔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)穿孔性能的研究,有針對(duì)性地優(yōu)化產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)、提高性能,滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。