海上油田新型增效射孔技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用*

韓 超 劉 峰 林家昱 韓東東 余建生 王 曉 王寶軍

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

0 引 言

渤海油田墾利16-1油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目是中海油集團(tuán)公司聚焦海上“低、邊、稠”油田勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)項(xiàng)目，是渤海油田“新優(yōu)快”鉆完井示范項(xiàng)目，其對(duì)后續(xù)邊際油田開(kāi)發(fā)起著引領(lǐng)作用[1]。墾利16-1油田主要含油層系為明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組、沙河街組，開(kāi)發(fā)層位跨度大，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，流體性質(zhì)復(fù)雜，淺部地層屬于高孔高滲儲(chǔ)層，物性較好，地層巖石極疏松，穩(wěn)定性差易出砂；深部低孔、低滲儲(chǔ)層物性相對(duì)差，巖石致密，抗壓強(qiáng)度高，儲(chǔ)層滲流能力弱，提產(chǎn)難度大[2-3]。項(xiàng)目采取大斜度井和大位移井開(kāi)發(fā)。大井斜造成井下射孔管柱產(chǎn)生偏心，在偏心射孔時(shí)，由于各相位槍套間隙不一致，使用常規(guī)射孔彈導(dǎo)致套管穿孔孔徑和地層孔眼穿深不均勻，增加了后續(xù)壓裂充填防砂風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)不到預(yù)期目的。同時(shí)，射流擠壓地層成孔，容易在射孔孔道周?chē)纬蓧簩?shí)帶，影響油氣流出，射孔后往往需要放噴，淺部?jī)?chǔ)層出砂迅速，還需單獨(dú)下放噴管柱，工期增加。因此，如何高效優(yōu)質(zhì)地進(jìn)行大斜度井射孔作業(yè)，成為該開(kāi)發(fā)項(xiàng)目?jī)?yōu)快增產(chǎn)增效的關(guān)鍵[4-6]。通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，海上油田創(chuàng)新采用增效射孔技術(shù)清潔孔道，配合動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔，改善射孔壓實(shí)帶，達(dá)到放噴的效果，減少單獨(dú)組下放噴管柱次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了提質(zhì)增效目的，可為后續(xù)海上油田大斜度井及大位移井高效射孔提供技術(shù)支撐。

1 新型增效射孔技術(shù)分析

根據(jù)墾利油田開(kāi)發(fā)層跨度大，各儲(chǔ)層地質(zhì)條件非均質(zhì)性強(qiáng)的情況，需要考慮中高滲儲(chǔ)層防砂，同時(shí)又要應(yīng)對(duì)低孔滲儲(chǔ)層改造。針對(duì)中高儲(chǔ)層常采用大孔徑射孔技術(shù)，而低孔滲儲(chǔ)層則需要采用深穿透射孔技術(shù)，配合增效技術(shù)，比如自清潔射孔、動(dòng)態(tài)負(fù)壓及復(fù)合射孔等。

基于“低、邊、稠”的特點(diǎn)，且由于鉆井井眼軌跡復(fù)雜，射孔段斜度大，造成射孔時(shí)射孔器偏心，偏心射孔時(shí)的各向孔眼不均問(wèn)題，通常采用等孔射孔技術(shù)解決。目標(biāo)區(qū)塊油氣介質(zhì)狀態(tài)復(fù)雜，為了應(yīng)對(duì)稠油及易出砂的特點(diǎn)，需要采用高孔密大孔徑射孔技術(shù)來(lái)增大泄流面積，以便于后續(xù)充填防砂。

若按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，墾利區(qū)塊井可能同時(shí)需要采用高孔密大孔徑射孔彈、等孔徑射孔彈、自清潔射孔彈、深穿透射孔彈，給射孔設(shè)計(jì)和操作帶來(lái)極大不便。因此提出一種能兼顧上述要求的射孔技術(shù)，其既具有等孔徑自清潔射孔彈，又配合了合理的動(dòng)態(tài)負(fù)壓設(shè)計(jì)，能夠一次射孔解決上述綜合問(wèn)題。首先，現(xiàn)場(chǎng)需要一種射孔后既能在套管上形成大小一致的孔眼，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)孔道清潔的射孔技術(shù)，即等孔徑自清潔射孔技術(shù)；其次，大斜度井常規(guī)射孔會(huì)因偏心造成孔眼穿深不均勻(見(jiàn)圖1)，等孔徑射孔可以避免偏心射孔造成的孔眼分布不均問(wèn)題，從而減少對(duì)充填質(zhì)量的影響；最后，應(yīng)用動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)，同時(shí)射孔彈罩采用含能材料，改善壓實(shí)帶，以期達(dá)到放噴效果。

圖1 偏心造成孔眼穿深不均勻Fig.1 Uneven perforation depth caused by eccentricity

等孔徑自清潔射孔彈會(huì)產(chǎn)生聚能效應(yīng)，炸藥爆炸后壓垮藥型罩，將藥型罩沿其表面法線方向拉伸成高速金屬射流，實(shí)現(xiàn)穿孔[7-8]，通過(guò)控制射流各段拉伸情況實(shí)現(xiàn)套管等穿孔，且保持穿深與同類(lèi)型射孔彈基本一致?？刂粕淞鳡顟B(tài)使后半段射流拉伸減小，形成一段“短粗”射流，以用于擴(kuò)孔，通過(guò)間隙時(shí)，可減小水對(duì)射流的擾動(dòng)，使得套管穿孔變大且保持一致。藥型罩中加入的含能材料在射流同時(shí)進(jìn)入孔道，于毫秒級(jí)時(shí)間在孔道內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈釋能反應(yīng)并產(chǎn)生大量的氣體，這些氣體直接作用在每一個(gè)孔道內(nèi)部以實(shí)現(xiàn)射孔孔道的自清潔和負(fù)壓返涌。

2 新型增效射孔技術(shù)設(shè)計(jì)

通過(guò)改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所形成的射孔彈藥型罩設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量減少射流擴(kuò)孔及過(guò)水的壓力損失，并使藥型罩在壓垮時(shí)形成桿狀射流以保證擴(kuò)孔孔徑的均一性。選用含能材料的藥型罩配方，既能實(shí)現(xiàn)含能材料在孔道產(chǎn)生強(qiáng)烈的放熱爆炸反應(yīng)，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)炸藥能量合理分布，在保證自清潔基礎(chǔ)上，達(dá)到孔徑的一致性。聚能裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮藥型罩結(jié)構(gòu)及自清潔配方，以達(dá)到形成“桿狀”射流目的。自清潔射孔彈與動(dòng)態(tài)負(fù)壓結(jié)合形成高效清潔射孔技術(shù)，改善壓實(shí)帶，以期達(dá)到放噴效果。

為了滿足上述設(shè)計(jì)思路的需要，針對(duì)目前常用的40孔/m射孔彈，重新開(kāi)展兼容性設(shè)計(jì)驗(yàn)證。通過(guò)藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，調(diào)整射流穿孔形態(tài)(見(jiàn)圖2)，保證套管各向穿孔一致性。

圖2 常規(guī)射孔彈和等孔徑射孔彈射流示意圖Fig.2 Schematic diagram for jet flow of conventional and equal aperture perforating charges

2.1 射孔彈總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

等孔徑自清潔射孔彈主要由導(dǎo)爆索、射孔彈殼體、射孔彈裝藥、藥形罩組成，如圖3所示。射孔彈結(jié)構(gòu)是聚能和控制射流狀態(tài)的主要因素，關(guān)鍵參數(shù)包括：頭部裝藥球冠R為12～15 mm，殼體錐角α為42°～50°，藥型罩第一錐角β為40°～50°，藥型罩第二錐角γ為60°～70°，藥型罩第三錐角δ為40°～50°。

1—導(dǎo)爆索；2—射孔彈殼體；3—射孔彈裝藥；4—藥型罩。圖3 等孔徑自清潔射孔彈結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of equal aperture self-cleaning perforating charge

2.2 射孔彈外殼設(shè)計(jì)

射孔彈外殼直接影響著爆炸作用場(chǎng)，主要作用是減弱稀疏波入侵，延長(zhǎng)藥柱爆炸對(duì)藥型罩的作用時(shí)間，提高炸藥的有效利用率及穿孔指標(biāo)，滿足炸藥的定向爆轟和裝配需要。設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合射孔槍孔密及射孔彈排布方式，既要保證足夠的內(nèi)腔空間，又要避免彈間干擾與機(jī)械干擾。其次優(yōu)化彈殼結(jié)構(gòu)，要使藥型罩獲得足夠的能量，就需要?dú)んw有合理的結(jié)構(gòu)、足夠的強(qiáng)度及精密的加工。殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)與藥型罩結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)，以得到理想的裝藥結(jié)構(gòu)及爆轟波形，從而使金屬射流的速度和質(zhì)量分布合理，最終形成較長(zhǎng)的連續(xù)穩(wěn)定的射流。殼體有減弱稀疏波入侵的作用，有利于提高炸藥能量的利用率。對(duì)同一種殼體材料，殼體越厚，減弱稀疏波入侵的作用越大，但殼體厚度達(dá)到一定程度后，這種作用就不明顯了，設(shè)計(jì)合理的彈殼厚度有利于提高穿孔性能。

2.3 等孔徑射孔彈藥型罩結(jié)構(gòu)和配方設(shè)計(jì)

普通大孔徑藥型罩有錐形、半球形、喇叭形、錐曲線形、拋物線形等結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)不同，穿孔效果也不同。根據(jù)現(xiàn)有射孔彈基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其中錐曲線形藥型罩，可利用其錐曲變壁厚的特點(diǎn)設(shè)計(jì)多種結(jié)構(gòu)的等孔徑藥型罩，根據(jù)ANSYS-autodyn模擬計(jì)算以及X閃光拍照，得出藥型罩穿孔特點(diǎn)及擴(kuò)孔形貌，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算射流在不同間隙時(shí)穿孔一致，并根據(jù)模擬結(jié)果(見(jiàn)圖4)及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案。最終將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析并修正，得出合理的藥型罩結(jié)構(gòu)。

圖4 不同間隙條件下射流模擬計(jì)算Fig.4 Jet flow simulation calculation under different clearance conditions

根據(jù)聚能射流破甲理論及藥型罩聚能原理，藥型罩在爆轟能量作用下形成連續(xù)不斷的射流愈長(zhǎng)，密度愈大，汽化愈少，射孔彈的穿孔深度愈深。因此，對(duì)藥型罩材料的要求是塑性好、密度大、沸點(diǎn)高。自清潔配方采用能夠在射流破靶時(shí)形成的“高溫高壓高應(yīng)變率”區(qū)域與油氣井井壁中的水分子儲(chǔ)層發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)的材料組成，如鐵、鋁、鋅、鎳、鉍、錫、鉛等按一定比例組成，其具有良好的延展性，與殼體的相容性，適合的強(qiáng)度，良好的工藝性等優(yōu)點(diǎn)，是決定藥型罩性能的重要因素。

其次需要獲得大孔徑射孔彈的效果，通過(guò)含能藥型罩材料配方的添加，研制出滿足孔徑要求的含能藥型罩，使含能藥型罩在不影響聚能射流的前提下，在穿孔時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的放熱，增加射流能量，完成擴(kuò)孔。所使用自清潔藥型罩配方，在增加孔容的同時(shí)，可有效清除射孔壓實(shí)帶的影響，對(duì)比測(cè)試添加前后結(jié)果顯示，滲透率提升15%～20%。

2.4 射孔彈藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提高裝藥密度可提高穿孔性能，同時(shí)提高壓藥分布均勻型，有利于增加射孔彈穩(wěn)定性。裝藥的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)射孔彈的穿孔性能有較大的影響。其設(shè)計(jì)原則是能充分利用炸藥能量、使射流盡量拉長(zhǎng)但不斷裂。

為了提高炸藥的利用率，將整個(gè)藥柱的體心提高，使炸藥最大限度地參與射孔作用。本方案將藥柱的兩側(cè)夾角減小，整體藥柱體心上移。導(dǎo)爆索將爆轟能量傳遞給傳爆孔中的射孔彈裝藥，由于傳爆孔直徑較小(3～4 mm)深度較深(4～6 mm)，爆轟波被矯正為軸對(duì)稱(chēng)波形，從頭部裝藥R的頂端開(kāi)始引爆整體裝藥，炸藥的爆轟波依次作用在藥型罩上，逐次驅(qū)動(dòng)β、γ、δ部位藥型罩并使其做軸線運(yùn)動(dòng)，在軸線上發(fā)生塑性形變，經(jīng)過(guò)能量傳遞和互換，重新組合成頭部速度梯度變化很小的射流和低速杵體。

2.5 高效清潔射孔技術(shù)

該技術(shù)中射孔彈采用特殊材料制成的藥型罩，這種含能材料隨聚能射流進(jìn)入孔道，在孔道形成后的極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓氣體，將孔道壓出若干微裂縫。同時(shí)由于孔道內(nèi)壓力遠(yuǎn)大于井筒壓力，在射孔的同時(shí)其中含能材料與油氣儲(chǔ)層中的水等小分子物質(zhì)進(jìn)行高速氧化還原反應(yīng)，釋放出大量高溫高壓氣體，使孔內(nèi)高壓氣流快速向井筒噴射，該氣流強(qiáng)力沖刷孔道，破除射孔壓實(shí)帶，提升孔道滲透率，并沖走巖石碎屑和射流殘?bào)w，使孔道保持高度清潔[9-10]。

動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔即為在射孔槍引爆時(shí)，在槍身上開(kāi)出大流通孔，使井液快速流入槍內(nèi)，引起井筒內(nèi)壓力在射孔后瞬間下降，在射孔孔道內(nèi)產(chǎn)生瞬間沖擊回流，沖洗射孔孔道及孔道周?chē)鷫簩?shí)帶，實(shí)現(xiàn)孔道的清潔及表皮系數(shù)下降的一種技術(shù)。該技術(shù)的2個(gè)最重要因素是壓降和速度。在射孔過(guò)程中達(dá)到峰值壓差時(shí)的張應(yīng)力超出了損害帶巖石強(qiáng)度，故該區(qū)域的巖石能夠破除，在涌流沖洗作用下形成清潔孔道，孔道直徑(寬度)明顯加大，如圖5所示。該技術(shù)不僅保證了炮眼的高度清潔，還免去單獨(dú)放噴，提高了作業(yè)效率。

圖5 射孔過(guò)程壓力曲線變化及孔道徑向距離壓力強(qiáng)度變化Fig.5 Pressure curve change during perforating process and pressure intensity change in radial distance of the perforation channel

3 試驗(yàn)研究

3.1 混凝土打靶試驗(yàn)

采用環(huán)狀混凝土靶射孔試驗(yàn)最終驗(yàn)證等孔徑射孔彈裝配射孔槍后的射孔性能。參照API標(biāo)準(zhǔn)(Recommended Practices for Evaluation of Well Perforators：API RP 19B Section 1)進(jìn)行試驗(yàn)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 自清潔射孔彈打靶試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Shooting test parameters of self-cleaning perforating charge

混凝土打靶試驗(yàn)結(jié)果如圖6和表2所示。從圖6可見(jiàn)，相比于常規(guī)射孔彈，自清潔射孔彈射孔孔道尾端造縫效果明顯，壓實(shí)帶改善效果清晰可見(jiàn)，滲透率明顯提升。同時(shí)射孔孔道內(nèi)壁光滑，孔道內(nèi)幾乎無(wú)金屬殘留物，導(dǎo)流能力得以提高，射孔彈與常規(guī)超深穿透射孔彈入孔孔眼直徑相比大幅增加。射孔彈與常規(guī)超深穿透射孔彈相比，起爆后產(chǎn)生碎屑量大幅降低，同時(shí)孔容平均增加110.9%。

表2 自清潔射孔彈與常規(guī)超深穿透射孔彈效果對(duì)比Table 2 Comparison of effects between self-cleaning perforating charge and conventional ultra-deep penetrating perforating charge

圖6 自清潔射孔彈與常規(guī)射孔彈射孔效果對(duì)比圖Fig.6 Comparison of perforating effects between self-cleaning perforating charge and conventional perforating charge

3.2 地面包覆砂巖射孔試驗(yàn)

地面包覆砂巖射孔試驗(yàn)中，試驗(yàn)壓力為27 MPa，對(duì)由尺寸?200 mm×800 mm(直徑×長(zhǎng)度)的露頭天然砂巖，通過(guò)混凝土加固至?400 mm×800 mm的包覆砂巖射孔。地面包覆砂巖射孔試驗(yàn)裝置如圖7所示。

1—雷管；2—導(dǎo)爆索；3—射孔彈；4—模擬槍內(nèi)炸高；5—模擬槍身厚度；6—模擬槍套間隙；7—模擬套管厚度；8—測(cè)試靶。圖7 地面包覆砂巖射孔試驗(yàn)裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of perforating test device for surface coating sandstone

根據(jù)墾利16-1油田儲(chǔ)層地質(zhì)條件，采用單軸抗壓強(qiáng)度18～20 MPa的砂巖制作成?400 mm×800 mm的砂巖靶，通過(guò)射孔效能裝置進(jìn)行加壓射孔試驗(yàn)，驗(yàn)證?114 mm等孔徑增效射孔彈的穿孔性能，觀察射孔后的流動(dòng)改善情況。砂巖射孔試驗(yàn)如圖8所示。從圖8可見(jiàn)：等孔徑增效彈孔道內(nèi)表面疏松，整體粗壯；常規(guī)孔道內(nèi)有壓實(shí)及孔道纖維；等孔徑增效彈孔道孔容較大，最大孔眼直徑為常規(guī)射孔彈孔道的2～3倍。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該彈型在射孔后流量高于常規(guī)射孔彈，平均增加29%。并且在該強(qiáng)度下砂巖射孔深度達(dá)640 mm，孔徑?15.4 mm，確認(rèn)了該射孔彈在實(shí)際地層中的穿孔性能。

圖8 砂巖射孔試驗(yàn)直觀圖Fig.8 Visual diagram of sandstone perforation test

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

等孔徑自清潔射孔技術(shù)在墾利16-1油田試點(diǎn)項(xiàng)目館陶組目的儲(chǔ)層完成5口生產(chǎn)井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，礫石充填成功率為100%，鉆后配產(chǎn)共390 m3/d，返排實(shí)際產(chǎn)量共816.74 m3/d，超鉆后配產(chǎn)109%。應(yīng)用后投產(chǎn)效果如表3所示。取得了較好的效果。

表3 自清潔射孔彈應(yīng)用后投產(chǎn)效果Table 3 Production effect after application of self-cleaning perforating charge

5 結(jié) 論

(1)海上油田新型增效射孔技術(shù)確保了各相位孔徑一致，消除了常規(guī)射孔非均勻效應(yīng)的影響，有助于提高射孔和壓裂的有效性。

(2)除了實(shí)現(xiàn)等孔徑外，配合含能藥型罩配方，兼顧穿深及孔徑，還可以進(jìn)一步降低孔眼摩阻及壓力損耗，增加孔內(nèi)有效壓力，提高壓裂效率。

(3)該技術(shù)增效顯著，射孔后孔道將新增裂紋，內(nèi)壁會(huì)衍生微裂紋，從而解除壓實(shí)帶，為油氣進(jìn)入井筒提供優(yōu)質(zhì)通道，有利于油氣產(chǎn)出，并且在動(dòng)態(tài)負(fù)壓的配合下，使孔道清潔能力加強(qiáng)，大大提高了對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù)能力。