川西海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層射孔效率測(cè)試評(píng)價(jià)試驗(yàn)

羅 偉

(1.南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川 南充 637131；2.中國(guó)石化西南油氣分公司，四川 德陽 618000)

川西海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層具有埋藏深、孔隙度低、滲透率低的特點(diǎn)，儲(chǔ)層整體較為致密，因此大規(guī)模的酸化改造是獲得其產(chǎn)量的必要關(guān)鍵技術(shù)，但前期改造過程中，普遍存在射孔后地層吸液困難、改造難度大的問題[1]。儲(chǔ)層反映出地層破裂壓力高，除與本身物性相關(guān)以外，同時(shí)射孔后形成的孔道形態(tài)(包括穿深、孔徑、杵體等)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大影響[2]。考慮到川西海相儲(chǔ)層整體致密、圍壓高、溫度高以及射孔彈能否有效穿透泥漿污染帶和井眼應(yīng)力集中帶等難以確定的問題，同時(shí)通過SPAN等理論校正模型得到的結(jié)果又存在較大的偏差[3-6]。因此，有必要開展模擬真實(shí)儲(chǔ)層環(huán)境下的巖石靶射孔效率測(cè)試試驗(yàn)，找出川西海相儲(chǔ)層破裂壓力高、地層吸液難的主要矛盾，為后期改造采取針對(duì)性的降破措施提供依據(jù)[7-10]。

1 巖石靶制備及抗壓強(qiáng)度測(cè)試

1.1 巖石靶制備

巖石靶的巖芯取至川西海相儲(chǔ)層巖石露頭，包括3種白云巖：灰云巖、藻云巖和微粉晶巖，共計(jì)25根巖芯。巖芯直徑152 mm，由于天然取樣加工時(shí)裂紋的存在，使得巖芯高度不一。巖芯裝入直徑350 mm靶套內(nèi)，靶套為A3鋼板，厚度3 mm，在巖芯和鋼板靶套之間用水泥固定。為保證水泥的固化，養(yǎng)護(hù)天數(shù)不少于28 d，在養(yǎng)護(hù)期間，頂面覆蓋100 mm深的清水。

1.2 巖石抗壓強(qiáng)度測(cè)試

為了解3種巖芯的物理特性，對(duì)其進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試。采用TYE-300C型壓力試驗(yàn)機(jī)，載荷上限300 kN，加載速率設(shè)置為1.2 kN/s，圓柱體(尺寸為φ25×50 mm)巖芯樣塊面積設(shè)置為5 cm2。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 圓柱體巖芯試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 地面巖石靶射孔測(cè)試

地面巖石靶射孔測(cè)試主要評(píng)價(jià)射孔彈在模擬裝槍時(shí)對(duì)川西海相儲(chǔ)層3種巖石靶的穿透性能。測(cè)試采用89型超高溫射孔彈，耐溫220 ℃/100 h，該射孔彈通過API 19B認(rèn)證；炸藥采用高爆速超高溫LLM-105炸藥，裝藥量28 g；混凝土靶穿孔深度947 mm，孔徑9.2 mm。

2.1 試驗(yàn)方法

在巖石靶頂面裝配好測(cè)試的射孔彈，采用模擬裝槍的方式，槍內(nèi)炸高與實(shí)際裝槍炸高一致，模擬槍厚5 mm，槍套間隙與實(shí)際情況一致并注入清水，模擬套管壁厚10 mm，且保證射孔彈中心線與巖石靶的中心重合，具體測(cè)試裝配如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)連接導(dǎo)爆索和雷管，射孔彈起爆后將靶套用切割機(jī)切開，再去掉約束水泥，測(cè)量巖芯內(nèi)的射孔穿深和模擬套管上的射孔孔徑。

圖1 地面巖石靶射孔的測(cè)試裝配Fig.1 Perforation experiment facility of the ground target

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 射孔孔道形態(tài)

巖石靶剖開后巖芯破壞情況如圖2所示，由于3種白云巖的強(qiáng)度高、脆性高，射孔后巖石整體破碎程度比較嚴(yán)重。巖石靶頂部無水泥環(huán)，直接正對(duì)射孔彈爆炸沖擊，致使3種巖芯端面射孔孔道破壞。

圖2 巖石靶剖開巖芯破壞情況Fig.2 Core damage of the rock target cut open

灰云巖的孔眼形態(tài)如圖3所示，射流形成的射孔孔道又直又粗。從局部放大區(qū)域可以看出，射孔孔道四周碎成小顆粒形成壓實(shí)帶，如圖中孔道周圍的淺色粉末層；離射孔孔道較遠(yuǎn)區(qū)域?yàn)槠扑閰^(qū)，在射流的沖擊作用下形成一些不規(guī)則的微裂隙，具體如圖黑色虛線框內(nèi)所示；在射孔孔道末端由于射流的持續(xù)沖擊形成了一個(gè)橢圓形溝槽，并形成了幾條微裂縫。

圖3 灰云巖射孔孔道Fig.3 Perforation channel of limestone

由于藻云巖的脆性更大，膠結(jié)強(qiáng)度更低，在射流的沖擊作用下，巖芯整體破碎較嚴(yán)重，造成射孔孔道不連續(xù)，并且在射孔孔道末端形成的裂縫更明顯、更長(zhǎng)(見圖4)。

圖4 藻云巖射孔孔道Fig.4 Perforation channel of algae limestone

對(duì)于微粉晶巖，形成的射孔孔道較直且一致性好，由于質(zhì)地細(xì)膩，形成的破碎區(qū)較小；在射孔孔道末端，形成的大面積射流噴濺與巖石天然裂縫剛好接合(見圖5)。

圖5 微粉晶巖射孔孔道Fig.5 Perforation channel of micro powder crystal limestone

從圖3～圖5可以看到，3種巖石的射孔孔道內(nèi)都存在大量的杵體，形成杵體的主要原因?yàn)閹r芯強(qiáng)度高，金屬射流端部速度下降太快，射流未能充分拉伸，出現(xiàn)射流堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致射孔孔道內(nèi)形成大量杵體。

2.2.2 數(shù)據(jù)測(cè)量

測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 地面巖石靶射孔測(cè)試結(jié)果

3 模擬儲(chǔ)層環(huán)境巖石靶的射孔測(cè)試

模擬儲(chǔ)層環(huán)境巖石靶的射孔測(cè)試主要是評(píng)價(jià)在高溫及儲(chǔ)層圍壓的約束條件下，射孔彈在模擬裝槍時(shí)對(duì)川西海相儲(chǔ)層3種巖石靶的穿透性能。

3.1 試驗(yàn)方法

1)巖石靶制備。測(cè)試所用的巖芯，用3 mm的膠皮包裹后直接裝入156 mm的靶套內(nèi)固定，巖芯及靶套長(zhǎng)度比射孔彈預(yù)計(jì)穿深大100 mm，靶套頂部預(yù)制10 mm的模擬套管，在模擬套管和巖芯上端面之間裝入相應(yīng)的水泥環(huán)，進(jìn)而模擬射孔彈井下最真實(shí)的穿透結(jié)構(gòu)。

2)測(cè)試裝配結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)流程。模擬儲(chǔ)層環(huán)境下巖石靶射孔測(cè)試裝配結(jié)構(gòu)與地面巖石靶射孔測(cè)試裝配結(jié)構(gòu)類似，不同點(diǎn)只是將裝配好的試驗(yàn)測(cè)試靶放入高溫高壓容器內(nèi)，然后關(guān)閉容器上蓋，連接數(shù)據(jù)線，啟動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，保溫至預(yù)設(shè)溫度160 ℃；保溫10 h后，啟動(dòng)壓力控制系統(tǒng)，加壓至預(yù)設(shè)圍壓60 MPa，打開爆速測(cè)量?jī)x，點(diǎn)火引爆試驗(yàn)射孔彈，記錄爆速和瞬態(tài)壓力變化；最后啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)，將試驗(yàn)容器溫度降至80 ℃后，釋放容器壓力，拆除數(shù)據(jù)線，打開容器上蓋，提出試驗(yàn)測(cè)試靶，進(jìn)行觀察及數(shù)據(jù)測(cè)量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

1)射孔孔道形態(tài)。以灰云巖為例(見圖6)，由于受水泥環(huán)、靶套以及圍壓的影響，經(jīng)射流作用后的巖芯端面完整性保存較好，巖芯無破碎現(xiàn)象，但肉眼可見幾條明顯的裂紋，沿射流穿孔方向延伸。對(duì)于3種巖石在模擬儲(chǔ)層環(huán)境下(見圖7～圖9)，射流形成的孔道都較直、較粗，且一致性較好；射孔孔道周圍均形成20 mm左右的白色壓實(shí)帶區(qū)域；在射流沖擊作用下孔道末端均產(chǎn)生橫向裂縫；孔道內(nèi)射流杵體堆積嚴(yán)重，杵體將孔道全部填滿，且水泥環(huán)和模擬套管孔眼均被杵體填滿。

圖6 巖石靶剖開巖芯破壞情況Fig.6 Core damage of the rock target cut open

圖7 灰云巖射孔孔道形態(tài)Fig.7 Perforation channel shape of limestone

圖8 藻云巖射孔孔道形態(tài)Fig.8 Perforation channel shape of algae limestone

圖9 微粉晶巖射孔孔道形態(tài)Fig.9 Perforation channel shape of micro powder crystal limestone

2)數(shù)據(jù)測(cè)量。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 模擬儲(chǔ)層環(huán)境下巖石靶射孔測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)果分析

1)對(duì)比試驗(yàn)時(shí)用射孔彈在混凝土靶、地面巖石靶及模擬儲(chǔ)層環(huán)境下巖石靶的穿透性能可知(見表4)，相對(duì)于混凝土靶，射孔彈在川西海相3種地面巖石靶的射孔穿深平均下降63%；而模擬儲(chǔ)層高溫圍壓情況下的射孔穿深又比地面情況平均下降了42%；在川西海相實(shí)際開發(fā)過程中，射孔彈在地下的穿深將大打折扣，地下實(shí)際穿深平均只有混凝土靶穿深的20%。

表4 射孔彈在不同條件下的穿透性能對(duì)比

2)結(jié)合川西海相儲(chǔ)層3 種巖石抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果和地面射孔穿深測(cè)試結(jié)果(見表5)可以看出，地面射孔穿深與巖石抗壓強(qiáng)度成負(fù)相關(guān)，這與傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)一致，進(jìn)而也驗(yàn)證了本次試驗(yàn)結(jié)果的有效性。

表5 巖石抗壓強(qiáng)度與射孔穿深的關(guān)系

5 結(jié)論

1)模擬儲(chǔ)層環(huán)境下，89型射孔彈在川西海相3種巖石中的地下穿深相對(duì)于混凝土靶穿深下降達(dá)80%，相對(duì)于地面巖石靶穿深下降達(dá)42%，地下平均穿深只有197 mm，難以有效穿透泥漿污染帶和井眼應(yīng)力集中帶，這是造成川西海相儲(chǔ)層破裂壓力高的重要原因。

2)地面及模擬儲(chǔ)層環(huán)境巖石靶射孔測(cè)試都顯示，孔道周圍會(huì)形成20 mm左右的射孔壓實(shí)帶；雖然射流沖擊會(huì)在孔道末端產(chǎn)生裂縫，但孔道內(nèi)大量堆積的杵體限制了末端裂縫降破作用的發(fā)揮。

3)本次試驗(yàn)證實(shí)了射孔穿深與巖石抗壓強(qiáng)度成負(fù)相關(guān)，與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)吻合。

4)提高射孔彈地下實(shí)際穿深以及清潔孔眼使酸液與孔道末端裂縫能有效貫通，是川西海相儲(chǔ)層下一步射孔降破的有效途徑。調(diào)研發(fā)現(xiàn)Tristim射孔技術(shù)、自清潔射孔技術(shù)以及后效射孔技術(shù)能達(dá)到川西海相儲(chǔ)層降破的目的，下一步將開展應(yīng)用適應(yīng)性評(píng)價(jià)。