硬地層自清潔射孔彈設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果

張永濤 郭圣延 陳書豪 盛廷強(qiáng) 石前 杜永安 王朝輝

1. 中海石油（中國）有限公司深圳分公司 廣東 深圳 518054

2. 大慶油田射孔器材有限公司 黑龍江 大慶 163853

3. 中海油服油田技術(shù)事業(yè)部塘沽作業(yè)公司 天津 300450

4. 中海油服油田技術(shù)事業(yè)部深圳作業(yè)公司 廣東 深圳 518054

在巖石較硬油氣儲(chǔ)層進(jìn)行射孔時(shí)獲得必要的穿孔深度難度很大。研究表明，射孔彈實(shí)際穿孔深度隨油氣儲(chǔ)層抗壓強(qiáng)度的提高下降非常明顯，同時(shí)套管內(nèi)的環(huán)空壓力、儲(chǔ)層壓力都會(huì)導(dǎo)致穿孔深度的下降，國內(nèi)這方面的研究在2010年前就已經(jīng)開始[1]，國外研究更早更深入，更加重視實(shí)際模擬射孔深度和效果。

硬地層自清潔射孔彈，將硬地層射孔彈和自清潔技術(shù)相結(jié)合，在硬地層油氣儲(chǔ)層中實(shí)現(xiàn)更深和破除射孔壓實(shí)帶的清潔孔道。

1 硬地層自清潔射孔彈設(shè)計(jì)

1.1 影響射孔彈實(shí)際穿孔深度的因素

影響射孔穿深效果的因素很多，主要有射孔層巖石的性質(zhì)（主要是巖石的成分、滲透率、抗壓強(qiáng)度、孔隙度等）、儲(chǔ)層壓力、巖理紋路等。

隨著射孔層巖石的抗壓強(qiáng)度的提高，射孔彈的穿孔深度會(huì)顯著下降，射流終止速度越高，可以用于破甲的長(zhǎng)度越短，直接導(dǎo)致穿孔深度的降低。儲(chǔ)層壓力對(duì)射孔彈的穿孔深度的影響非常大（見圖1），文獻(xiàn)[2-3]顯示，隨著地層壓力（圍壓等）的提高，穿孔深度會(huì)顯著下降，實(shí)驗(yàn)室模擬圍壓實(shí)驗(yàn)表明，最大下降幅度可以超過50%[1]。

圖1 儲(chǔ)層壓力對(duì)射孔彈穿孔深度的影響

圖2 自清潔射孔孔道末端形態(tài)

1.2 硬地層自清潔射孔彈的設(shè)計(jì)

藥型罩結(jié)構(gòu)是射孔彈設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，適合的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有：雙曲線結(jié)構(gòu)、外曲線結(jié)構(gòu)、內(nèi)曲線結(jié)構(gòu)、內(nèi)多錐結(jié)構(gòu)等[4-7]。為了延長(zhǎng)藥型罩母線長(zhǎng)度和保持射流的連續(xù)性，提高有效射流的長(zhǎng)度，采取漸變式內(nèi)母線結(jié)構(gòu)，可以提高有效射流的長(zhǎng)度和質(zhì)量，保持射流的漸變性和連續(xù)性，減少射流速度突變產(chǎn)生的負(fù)面影響，還能夠降低生產(chǎn)工藝難度。

裝藥結(jié)構(gòu)是影響射孔彈性能的最主要因素之一[6-7]。不同的裝藥結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生不同形狀的爆轟波，與殼體內(nèi)表面反射的一次反射波相疊加，獲得期望得到的爆轟波波形，從而增大作用在藥型罩表面的爆轟波的壓合角，改善藥型罩形成的射流的速度和質(zhì)量分布效果。經(jīng)過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，改變常用的小錐角頭部裝藥設(shè)計(jì)習(xí)慣，采用適當(dāng)增加頭部裝藥的大錐角設(shè)計(jì)模式。為了充分發(fā)揮藥型罩靠近開口部分藥型罩的作用，在設(shè)計(jì)上，有意增加這部分裝藥，適度提升這一部分的射流速度和利用率。這種裝藥結(jié)構(gòu)，能夠有效增加驅(qū)動(dòng)藥型罩向軸線匯聚的能量，提高有效射流的長(zhǎng)度和質(zhì)量。

射孔彈合壓生產(chǎn)工藝采用小壓力多次合壓成型工藝，使炸藥分布均勻，提高射孔彈的一致性和穿孔深度的穩(wěn)定性，提高射孔彈制造過程中的安全系數(shù)。理論分析和對(duì)比實(shí)驗(yàn)，小壓力多次壓成型工藝可以提高射孔彈穿孔深度穩(wěn)定性5%～15%，平均穿孔深度提升5%～8%。

2 模擬硬地層油氣儲(chǔ)層條件下射孔效果實(shí)驗(yàn)[8-11]

為了準(zhǔn)確模擬深層油氣儲(chǔ)層的實(shí)際條件，獲得更加貼近實(shí)際使用效果的射孔數(shù)據(jù)，進(jìn)一步確定設(shè)計(jì)的硬地層油氣儲(chǔ)層條件下是否能夠獲得理想的穿孔效果，進(jìn)行了模擬射孔效果實(shí)驗(yàn)。

采用API 19B[12]推薦的模擬測(cè)試裝置，砂巖選擇紫砂巖，孔隙度5.56%，滲透率0.14×10-3μm2，抗壓強(qiáng)度≥100MPa，模擬井筒壓力30MPa儲(chǔ)層壓力40MPa。

模擬實(shí)際射孔條件[4]下穿孔效果見表1。

表1 模擬實(shí)際射孔條件下穿孔效果

硬地層自清潔射孔彈HSR46-1和硬地層射孔彈HS46-1射孔效果，見圖3。

圖3 硬地層自清潔射孔彈和硬地層射孔彈射孔后的孔道

硬地層射孔彈HS46-1型與常規(guī)超深穿透射孔彈SDP45-1型在不同抗壓強(qiáng)度的混凝土靶上的實(shí)際穿孔深度進(jìn)行了實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 硬地層射孔彈與超深穿透射孔彈在不同抗壓強(qiáng)度的混凝土靶上穿孔深度的變化

通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步分析，發(fā)現(xiàn)：

常規(guī)射孔彈設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)的目標(biāo)靶抗壓強(qiáng)度為34.5MPa混凝土靶，在硬地層中難以充分發(fā)揮其效能。

自清潔射孔彈射孔后，砂巖內(nèi)孔道粗大，孔道壁疏松，無壓力水沖洗時(shí)，孔道壁上砂巖碎屑可以隨水流流動(dòng)，孔道末端粗大，有明顯二次反應(yīng)痕跡，砂巖呈高壓壓裂后的表現(xiàn)見圖3。

常規(guī)射孔彈、超深穿透射孔彈射孔后，砂巖內(nèi)孔道較細(xì)，孔道壁較硬，壓實(shí)帶明顯，孔道末端有杵體堆積現(xiàn)象。

3 應(yīng)用效果

硬地層和硬地層自清潔射孔彈應(yīng)用在較深層的油氣井開發(fā)中。

3.1 在T 油田應(yīng)用的效果

新疆T油田北區(qū)塊某井2018年8月19日對(duì)3722.0～3725.0m負(fù)壓射孔后自噴，22日因油壓降至零停噴。地質(zhì)分析認(rèn)為該層與下部3736～3742m油水同層竄通，封竄驗(yàn)收合格后，因油壓降至0而停止產(chǎn)油。

使用硬地層射孔彈 H S 4 4 R D X 3 8-1 型補(bǔ)孔，第一次補(bǔ)孔孔密1 3 孔/m，射孔井段：3721.2～3723.6m，用彈32發(fā)；第二次補(bǔ)孔孔密16孔/m，射孔井段：3725.0～3727.0m，用彈32發(fā)。經(jīng)過氣舉等措施，4mm油咀放噴，油壓6.5MPa，日產(chǎn)油23m3，日產(chǎn)氣1.5萬m3，實(shí)現(xiàn)了較好的產(chǎn)能效果。

同樣狀況一口井應(yīng)用深穿透射孔彈進(jìn)行了二次補(bǔ)孔，產(chǎn)液量為零，壓力為零。

3.2 在L 油田應(yīng)用的效果

2021年在L油田某井低滲儲(chǔ)層進(jìn)行了TCP動(dòng)態(tài)負(fù)壓和硬地層自清潔組合射孔工藝技術(shù)，使用114射孔槍，孔密16孔/m，裝配硬地層自清潔HSR46-1型射孔彈；油藏類型為邊水，射孔斜深4371.0～4546.0m，射孔162m，夾層13.0m，使用射孔彈2494發(fā)。

P-T儀記錄壓力曲線顯示，自清潔和動(dòng)態(tài)負(fù)壓作用明顯，射孔層位靜壓6036psi，射孔彈爆轟最高壓力11340psi，自清潔產(chǎn)生的微壓裂及清潔孔道最高壓力5693psi，動(dòng)態(tài)負(fù)壓最低點(diǎn)壓力值3042psi，最大負(fù)壓差2994psi，平均動(dòng)態(tài)負(fù)壓為2000psi（13.79MPa）。動(dòng)態(tài)負(fù)壓作用從射孔起爆后爆轟壓力達(dá)到最高峰值時(shí)間（12s598ms）后13s（12s611ms）開始產(chǎn)生，符合動(dòng)態(tài)負(fù)壓做功的有效時(shí)間段（100ms以內(nèi)），動(dòng)態(tài)負(fù)壓持續(xù)時(shí)長(zhǎng)800ms。射孔彈爆轟最高點(diǎn)與自清潔射孔做功最高點(diǎn)時(shí)差30ms，見圖5。

圖5 P-T儀記錄壓力曲線

4 結(jié)束語

硬地層射孔彈相對(duì)傳統(tǒng)超深穿透射孔彈射流具有更高的射流密度和射流硬度，射流梯度合理，更適合硬地層（深層）油氣井射孔。

硬地層自清潔射孔彈能有效清潔孔道，去除射孔壓實(shí)帶，增大泄油面積，是硬地層（深層低孔低滲地層）射孔最佳選擇。

在較軟的油氣儲(chǔ)層射孔時(shí)，常規(guī)深穿透射孔彈比較實(shí)用。