提高流動效率的新型射孔彈

陳玉,雷新華,趙世華,付代軒,賴康華

(四川石油射孔器材有限責(zé)任公司,四川隆昌642177)

0 引 言

非常規(guī)油氣資源開發(fā)力度逐步加大,新增產(chǎn)能主要來自于非常規(guī)油氣儲藏,它的滲透率低,滲流阻力大,連通性差,不經(jīng)過壓裂酸化改造很難滿足工業(yè)開采要求。在此背景下,以體積改造為中心的各種壓裂酸化技術(shù)特別是水平井壓裂技術(shù)快速發(fā)展,射孔己不再是提高產(chǎn)能的最終手段,而是壓裂酸化前的一個(gè)預(yù)處理過程[1]。

在新的油氣開發(fā)形勢下,射孔工藝發(fā)展出分簇射孔、定面射孔、定向射孔等,特別是泵送橋塞分簇射孔分段壓裂技術(shù)目前已成為非常規(guī)油氣開發(fā)中的成熟技術(shù),并得到廣泛應(yīng)用。射孔彈最高穿深已經(jīng)高達(dá)1 986 mm。常見射孔彈有減輕壓實(shí)帶的自清潔射孔彈,產(chǎn)生穿深的同時(shí)形成孔道附近裂紋的復(fù)合射孔彈,提高壓裂效果的等孔徑射孔彈,以及目前國際上前沿發(fā)展的模擬地層條件下設(shè)計(jì)的應(yīng)力射孔彈。基于使用效果和成本考慮,目前現(xiàn)場應(yīng)用最廣泛的還是傳統(tǒng)的深穿透射孔彈。

傳統(tǒng)射孔彈是基于射孔作為完井方式設(shè)計(jì)的,單一追求穿深,盡可能穿透近井污染帶、獲得更大的單井產(chǎn)量。在非常規(guī)油氣藏的開發(fā)中,需要能提高流動效率的孔道,好的流動效率特點(diǎn):①在不影響套管強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,盡可能提高孔徑和孔道容積,降低流體在整個(gè)孔道中的摩阻,使附加壓力降更小[2],在壓裂施工中的綜合表現(xiàn)就是壓裂時(shí)地層破裂壓力降低[3];②雖然非常規(guī)油氣藏產(chǎn)生的壓裂縫會成為主要的油氣通道,但根據(jù)藤賽男等[4]的研究表明,在近井地帶由于高速非達(dá)西滲流的存在,射孔產(chǎn)生的正表皮會加強(qiáng)高速非達(dá)西,最終使單井產(chǎn)量下降,而孔道具有好的滲透率,這對后續(xù)采集具有積極作用?；谶@一理念,開發(fā)了一種能提高流動效率的新型射孔彈。

1 新型射孔彈設(shè)計(jì)

1.1 裝藥結(jié)構(gòu)

裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是射孔彈設(shè)計(jì)中的一個(gè)基本和重要環(huán)節(jié)。它決定彈內(nèi)腔形狀和尺寸,直接影響藥型罩口徑、外錐角和炸藥用量、分布等。

在聚能裝藥中,隨著裝藥直徑和長度的增加,穿深也隨之增加,但射孔彈尺寸較小,通過增加裝藥直徑和長度實(shí)現(xiàn)增加穿深,必須充分提高炸藥能量的有效利用率,使能量盡可能轉(zhuǎn)化到推動藥型罩的做功上,裝藥結(jié)構(gòu)直接關(guān)系著能量的有效利用率。

圖1(a)為新型射孔彈裝藥結(jié)構(gòu)。與圖1(b)相比,它是由3個(gè)不同的錐角組成,Ⅰ部分有利于增加藥型罩頂部的爆轟能量,減小稀疏波的影響,擴(kuò)大藥量的有效率,使射流頭部速度增加;Ⅱ和Ⅲ部分提高藥型罩的后續(xù)壓垮能量,增加射流半徑和桿體速度,使射流破甲的有效微元增加,實(shí)現(xiàn)孔徑和孔容積的增加。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)

1.2 藥型罩

1.2.1 錐角

目前,國內(nèi)外主要的藥型罩結(jié)構(gòu)有3種。單直錐錐角越大,射流頭部速度越低,速度梯度越小,射流趨于短而粗,穿深淺而孔徑大;錐角越小,射流頭部速度高、速度梯度大,射流趨于細(xì)而長,穿深高、孔徑小,穩(wěn)定性降低,易受外界因素的影響。

半球形曲率半徑較大,在目標(biāo)靶中形成較大的孔徑,但侵徹深度較淺。

雙直錐形成的射流梯度大,小錐角部分形成的細(xì)長射流最早投入侵徹,未拉斷前就被消耗,而大錐角部分產(chǎn)生粗短射流,再投入后續(xù)侵徹射流得到有效延展,在穿深和穩(wěn)定性上較前面2種都更有優(yōu)勢,但在雙錐交界處易出現(xiàn)射流斷裂,降低了炸藥能量利用率。

1.2.2 壁厚

除了錐角結(jié)構(gòu),壁厚也對藥型罩性能有較大影響。射孔彈在僅改變藥型罩壁厚時(shí)鋼靶穿深與壁厚關(guān)系曲線顯示,當(dāng)爆轟產(chǎn)物的沖量一定時(shí),壁厚太厚,則爆轟能量有一部將要損失在對藥型罩的加熱上,對侵徹效果不利;如果太薄,則罩的強(qiáng)度過低,會在產(chǎn)生射流前先行破碎,罩微元只能獲得很低的初速度。

射孔彈受尺寸限制,一般都是在低炸高下使用,射流得不到充分的拉伸,因此,需要加大射流的速度梯度。為了改善射流性能、提高破甲效果,在實(shí)踐中通常采用變壁厚藥型罩。頂部薄、底部厚的變壁厚藥型罩使射流頭部速度提高、射流尾部速度降低,從而增加射流的速度梯度使射流拉長。

1.2.3 藥型罩結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上分析,高流動效率射孔彈采用了一種新型的變壁厚錐弧結(jié)合[5]的結(jié)構(gòu),其壁厚變化見圖2。

圖2 新型射孔彈藥型罩從罩尖部到口部的壁厚變化

圖3 新型射孔彈藥型罩結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)計(jì)從頂部到底部厚度逐漸增加,從而形成具有良好速度梯度的射流(見圖3);射流頭部具有高速及小速度梯度,使頭部能在侵徹開始之前就得到足夠地延伸,并在侵徹開始后又能使射流前段緩慢減速。而射流中、后部,則具有適宜的速度梯度及相應(yīng)的質(zhì)量或半徑分布,以保證既具有一定的延展性,又具有能經(jīng)受長期、遠(yuǎn)程延展而不致過早發(fā)生斷裂的能力;底部內(nèi)錐的弧形結(jié)構(gòu),使尾部速度在降至射流的臨界侵徹速度前產(chǎn)生對目標(biāo)的有效侵徹,提高有效射流質(zhì)量及半徑。

1.3 數(shù)值分析

在確定了基本的裝藥結(jié)構(gòu)和藥型罩結(jié)構(gòu)后,就能對射孔彈進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。炸藥、藥型罩、空氣均采用歐拉網(wǎng)格建模,單元使用多物質(zhì)ALE算法,其好處是可以克服單元嚴(yán)重畸變而引起的數(shù)值計(jì)算

困難,并實(shí)現(xiàn)了流體—固體耦合的動態(tài)分析[6]。

靶板采用Lagrange算法,射流侵徹體通過耦合將能量和壓力傳遞給靶板,實(shí)現(xiàn)對靶板的侵徹作用。深穿透射孔彈有大量的生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)作為參考,為了節(jié)約數(shù)值建模和計(jì)算的不必要工作量,因此,僅對深穿透和新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

計(jì)算了射流形成之初射孔的初速度,結(jié)果見圖4。射流形成之初的微元,新型結(jié)構(gòu)射流初速度為8 791 m/s(11 μs),深穿透結(jié)構(gòu)初速度為7 308 m/s(10 μs)。新型結(jié)構(gòu)的射流初速度更高,更有利于對靶的侵徹。

從圖5給出的計(jì)算結(jié)果可以看出,新型結(jié)構(gòu)給出了57、61 μs時(shí)刻的狀態(tài),深穿透的狀態(tài)時(shí)間是56 μs,雖然它的時(shí)刻較早,但形成的射流在頭部出現(xiàn)了明顯的斷裂痕跡,新型結(jié)構(gòu)射流形態(tài)更加穩(wěn)定與均勻。

圖4 射流初速度

圖5 射流形態(tài)

通過計(jì)算分析,新型結(jié)構(gòu)與深穿透相比較,穿深變化不大,但孔徑提高了20%。

由以上對射流初速、射流形態(tài)、穿深和孔徑的結(jié)果來看,在其他條件不變的前提下,新型結(jié)構(gòu)藥型罩性能優(yōu)于深穿透。

2 試 驗(yàn)

2.1 流動效率

從套管上射開孔眼,并形成射孔孔道后,孔眼大小、孔道周圍壓實(shí)帶、碎屑等,及孔道容積的影響,會阻礙流體在孔道周圍和孔道內(nèi)部的流動效率,因此有必要用一參數(shù)來衡量孔道的真實(shí)流動效率,即巖心流動效率,理想射孔孔道的巖心流動效率為1,小于1則表明孔道受到了損害,大于1則表明增產(chǎn)[7]。

按照《GB/T 20488—2006油氣井聚能射孔器材性能試驗(yàn)方法》,在圍壓31.0 MPa、孔隙壓力10.3 MPa、井筒壓力6.9 MPa的模擬地層真實(shí)環(huán)境的條件下,對其流動效率(綜合孔眼、孔道、滲透率等性能)進(jìn)行試驗(yàn)。

結(jié)果表明與深穿透射孔彈相比,新型射孔彈軸向、徑向流動效率分別提高了15.28%、15.38%。

2.2 孔道對比

圖6是同一藥型罩口徑下,常規(guī)射孔彈和新型射孔彈分別留下的孔道?？梢灾庇^的看到,新型射孔彈形成的孔道入口更大、整個(gè)孔道容積也更大,有利于在壓裂時(shí)減低孔道摩阻,孔道末端附近呈裂縫狀,有利于壓裂裂縫的延伸和提高孔道周圍滲透率。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

新型射孔彈在頁巖氣開發(fā)區(qū)塊的某井進(jìn)行分簇射孔+壓裂作業(yè)。

從圖7的壓力曲線可以看到,施壓后壓力迅速上升到破裂壓力,地層被壓開后,裂縫迅速延伸。說明壓裂液在射孔孔道內(nèi)的流動性很好、摩阻小。

圖6 孔道對比

圖7 某井2段壓裂曲線圖

4 結(jié) 論

(1)變壁厚錐弧結(jié)構(gòu)的藥型罩結(jié)構(gòu),具有射流軸向能量使射流頭部具有高速及小速度梯度,能保證頭部在侵徹開始之前就得到足夠地延伸,并在侵徹開始后又能使射流前段緩慢減速;而射流中、后部,具有適宜的速度梯度及相應(yīng)的質(zhì)量或半徑分布,以保證既具有一定的延展性,又具有能經(jīng)受長期、遠(yuǎn)程延展而不致過早發(fā)生斷裂的能力;形成的孔道整體孔容較深穿透更大,入口孔徑更大。

(2)與深穿透射孔彈相比,新型射孔彈形成的孔道摩阻小、孔道滲透率更好,更適合非常規(guī)油氣藏的開發(fā)。