双复式射孔工艺技术

2492射孔技术

“双复式射孔”是射孔目前发展中脱颖而出的新型射孔工艺技术,它具备”射孔—压裂”双重复合叠加作用于油气产层的性能。该工艺跟随了当今射孔器材、射孔工艺发展的主流方向。

双复式射孔是一种新型的射孔工艺技术。双复式射孔弹采用了径向装药,更充分地利用了射孔弹和推进剂的能量,拉近了射流峰压与推进剂燃气峰压的时间差,加速了推进剂燃气脉冲沿射流方向同轴加栽的过程;采用肩台式装药增强了扩孔造缝的威力。双复式射孔器具有穿孔深、孔容大、造缝、解堵力强,减少对套管损伤等特点。与普通102射孔器相比,穿深提高15%,孔容增加30%—40%,适应于老井油层改造或注水井,特别是适应于在低渗透油田中射孔。

一、双复式射孔选井原则及射孔机理

1、 双复式射孔选井原则

⑴ 适应于侏罗系、三叠系底水明显、活跃,不适应压裂的所有油井;

⑵ 地层系数大于100μm2.m的油井;

⑶ 底水油帽的侏罗系油井;

⑷ 对于注水难度大、吸水强度弱的注水井;

⑸ 对于压裂投注造成暴性水淹,射孔投注难注入的注水井。

2、 双复式射孔机理

在遵循选井原则的前提下,在含油层位和注水层位采用双复式射孔工艺方法,能达到以下效果:

使用双复式射孔,可以对射孔压实带起解堵作用;

双复式射孔由于推进剂燃气脉冲沿射流方向同轴加栽的作用,增加渗流条件,有效改善层内不均性;

双复式射孔增大渗透面积,沟通油气层的储油渠道,能够减缓近井地带的污染;

由于双复式射孔形成的二次震动,起到解除压实带和孔道延伸的作用,对底水油藏储层偶控制底水作用;

可有效降低延长组压裂作业中的破裂压力和工作压力;

实验证明,对注水井,注水启动压力高,吸水不均匀,不适应压裂的井有明显效果。

二、双复式射孔器的结构探讨与对比

1、双复式射孔器结构

双复式射孔器总体结构(如图1所示)。射孔器的组成是用粘接剂把射孔弹与增效头固接在一起(如图2所示),装入弹架内(导爆索在弹架内把多个双复式射孔弹连接起来),然后整体装入有盲孔的射孔枪内(如图3所示)。

图1 双复式射孔器总体结构

双复式射孔弹 2—增效头 3—弹架 4—双复式射孔枪 5—导爆索 6—枪尾

7—盲孔 8—套管 9—地层 10—射孔器 11—起爆器 12—油管 13—射孔层位

图2 双复式射孔弹总体结构

1—射孔弹 2—肩台式聚能装药 3—截锥聚能装药 4—随进火药 5—增效头本体

2、双复式射孔器与其它射孔器装配结构对比

图3 双复式射孔弹与弹架以及射孔枪装配结构

1—导爆索 2—射孔弹 3—增效头 4—射孔枪 5—弹架

 

常规射孔器和复合射孔器射孔弹与弹架装配结构(如图4所示)。

图4 常规射孔和复合射孔弹与弹架装配结构

三、各类射孔器与套管、射孔弹与枪的匹配探讨

1 射孔器与套管的匹配

目前,国内各油田油气井射孔一般采用普通聚能射孔器和配装火药的复合射孔器。根据不同的井眼情况,一般在5in以下套管用73mm、68mm的枪,在51/2in套管用89mm、102mm的枪,在7in和95/8in套管用102mm、114mm、127mm、159mm的枪等多种组合。从以上可以看出,不论那种匹配方式,枪与套管之间都留有很大的空间,这主要是防止枪径胀大施工不安全。

普通射孔器的主要优点在于:一是对井眼条件要求不高,套管有些变形或套管内壁有些污垢,有时不需要通井作业也可以进行射孔作业(除套管损坏严重,大直径枪不能作业外);二是射孔施工安全系数较大,不易遇阻、遇卡。但是,也存在着很大的缺点,即射孔孔眼浅,对套管损害大。其主要原因是:

(1)枪与套管间隙越大,射流的界面效应影响越大,射流能量损失越大。

(2)枪与套管间隙越大,套管上的射孔孔眼大小差异越大,孔眼在套管上的分布越不均匀,使得套管的承载力失衡,在外力作用下容易应力集中,抗挤压力下降。据油田统计数据表明,套管损坏有50%—80%都是在射孔的井段。

2 射孔弹与枪的匹配

每一种射孔弹都有确定的穿深性能,但穿孔效果如何又决定于弹与靶之间的介质对射流的阻碍和损失的情况。枪与弹之间,枪是射流首先穿过的介质,所以不论什么类型的射孔弹,穿孔深浅,孔径的大小都直接受枪体的影响,其影响主要有两个方面:

(1)枪内炸高影响。

下面图5是几种常用的射孔弹打钢靶的炸高与穿深之间的关系曲线。

图5 各种弹在不同炸高下的穿深对比

注:73弹、89弹、102弹标准炸高为40mm;127弹、127王弹标准炸高为60mm。

表1是标准炸高下各种射孔弹穿深与不同枪配装时实际穿深对比表。

表1 标准炸高下射孔弹穿深与不同枪配装时实际穿深对比表

弹—枪—炸高 孔 径(mm) 穿 深(mm) 枪内实际与标准炸高对比穿深情况
73—73—13 8.85 93.3 降低15.95%
73—102—5 7.77 71.3 降低35.77%
73—40 8.4 111
73—0 7.25 27.5
89—73—9.3 9.61 107.3 降低23.36%
89—89—16.5 9.77 117.3 降低16.21%
89—102—23 9.67 126.7 降低9. 5%
89—127—7 9.83 100.7 降低28%
89—40 9.65 140
89—0 8.25 54
102—102—17 12.28 132.7 降低21.48%
102—127—8 10.57 112 降低33.72%
102—40 13.15 169
102—0 9.4 50
127—89—11.2 12.47 128.3 降低27.1%
127—102—15 10.38 145.3 降低17.44%
127—127—25.5 11.08 151.67 降低13.82%
127—60 13.05 176
127—0 10.3 56
127王—102—15.5 10.99 161.3 降低15.1%
127王—127—26 11.57 170.3 降低10.37%
127王—60 13.5 190
127王—0 9.55 69
备注: 73—73—13代表73弹、73枪、13mm炸高; 73—40代表73弹、40mm炸高; 73—0代表73弹、零炸高,其他依次类推。

从图5曲线中可以看出,射孔弹的穿深是随炸高而变化的。从下面表1可以看出,每一种射孔弹的穿深都存在着因枪内炸高较小,穿孔深度降低的情况。

其中:89弹降低16.21%;102弹降低21.48%;127弹降低13.82%。

如果枪与弹匹配不合理,例如用小直径的枪配深穿透的大型弹,穿深下降更严重。

如表1中:102弹配装73枪内穿深下降35.77%;127弹配装在102枪内穿深打降33.72%.

(2) 枪体上盲孔厚度影响.盲孔越厚,射流能量损耗越大,穿透深度减小.枪内峰值高压泄放越缓慢,枪体胀径越大.

四、双复式射孔器作用机理及特点

1、双复式射孔器作用机理

射孔弹的爆炸冲击波引爆截锥装药,同时引燃随进火药。截锥装药的爆速低于射孔弹炸药的爆速而高于增效火药的燃速,截锥装药的聚能效应使得随进火药向轴线集中并加速运动,实现了能量的集速释放。随进火药采用花瓣多孔形,可以提高燃速,使高压燃气具有较陡的压力前沿和较高的峰值压力。

2、双复式射孔器结构具有以下几个特点

(1)、提高了枪内炸高。

常规102型射孔器和102复合射孔器的枪内炸高为17mm,双复102型射孔器的枪内炸高为29.5mm。通过上述三种射孔器装枪后的打45#钢靶和打砂岩靶试验结果为:

常规102型射孔器钢靶平均穿深为126.7mm,砂靶平均穿深为502mm;

102复合射孔器钢靶平均穿深为132.7mm, 砂靶平均穿深为805mm;

双复102型射孔器钢靶平均穿深为152mm,砂靶平均穿深为943mm。分别提高

了14%和17%。

(2)、射孔弹爆炸时,增效头本体变形基本与弹架胀大相一致,它们紧贴在枪的内壁上,再加上弹架是全密闭式,枪上不开泄压孔,有很好的闭气作用,火药能量和射孔弹剩余能量只能通过盲孔上的孔眼直接向射孔孔道方向加速运动释放。

而复合射孔器则不同,火药大部分能量必须拐弯通过盲孔上的孔眼、泄压孔作用于环空,靠环空井液高度压力向射孔孔道方向运动释放。

(3)、射孔枪上的孔眼正对套管上的孔眼,二者之间间隙很小(火药与射孔孔眼的距离最短),在二者之间可以建立一条高压燃气的短暂通道。这一特点使火药能量的利用率优于任何其他形式的复合射孔器。

以上这些特点使得双复式射孔器具有非常突出的压裂、造缝、解堵作用。

3、双复式射孔器与常规射孔器、复合射孔器性能指标对比(见表2)

表2 常规射孔器、复合射孔器、双复射孔器主要性能指标对比表(地面试验)

项 目 常规射孔器 复合射孔器 双复射孔器
套管外径(mm) 139.7 139.7 139.7
射孔器外径(mm) 102 102 102
枪体壁厚(mm) 9.5 11 9.5
耐压(MPa) 60 60 60
最大孔密(孔/米) 16 13 16
增效药量(g/m) 0 1000—1300 950
内炸高(mm) 17 17 29.5
装枪打钢靶穿深(mm) 126.7 132.7 152
装枪打砂岩靶穿深(mm) 502 805 943
枪体最大胀径(mm) 2.5 3.2 3.0
射孔枪上裂纹(mm)
套管胀径(mm) 2.1 2.86 3.19

五、各类复合射孔器与双复式射孔器优缺点对比

1、射孔—压裂复合射孔器存在的问题

一体式、外包式和悬挂式复合射孔器,近十几年来在国内获得应用,这些方法共同存在着一个悬而未解的矛盾,即:要增加造缝、延缝的威力,就要增加火药(或推进剂)的装药量和提高燃烧速度,但为了确保不炸枪,不破坏套管,人们选取了增加火药(或推进剂)的装药量,降低燃速的方法。但是燃速降低后,火药燃气的峄值压力降低对射孔孔道的功效下降,这是一对难以分解的矛盾。

以上分析可见一体式、外包式和悬挂式复合射孔器存在的共同缺点是:

(1)射孔枪开泄压孔,密封存在隐患,万一有一个泄压孔漏水、渗水射孔枪就会发生炸枪事故。

(2)泄压孔位置对的套管上并没有射孔孔眼,高压燃气出射孔枪后直接作用在套管上,然后拐弯再进射孔孔道,造成套管胀径严重,使燃气压力利用率降低。

(3)泄压孔密封钢垫(外包橡胶),射孔后被高压燃气瞬间挤出,打在套管后变形堆积,严重时造成卡枪事故,对后续措施作业如:桥塞钻除、捞取,排液、求产、采油有严重影响。

(4)火药装量大、但高压燃气出射孔枪后不能直接进套管上的射孔孔眼,而是在环空释放,作用与射孔孔眼的燃气压力只能取决于井筒液柱高度压力,所以存在燃气压力利用率低的问题。

(5)所装的火药或推进剂的性能、密度、药量、选择上很难控制,设计、用量、操作不当时,还会使火药由爆燃变为爆轰,出现炸枪、枪鼓大包、压偏发生井下事故(见图6、图7)。

图6 X井复合枪严重变形

 图7 X井复合枪严重变形

2、双复式射孔器的作用原理及优点

射孔枪是射孔弹的载体,它的作用主要有两点:一是承受外压;二是承受脉冲内压。内压远大于外压,内压的特点是高压峰值达600Mpa—800 Mpa,时间只有几十微秒,射孔枪不预制泄压孔,只有盲孔使射孔弹穿深加深,弹架封闭式装入导爆索和双复式射孔弹,提高双复式射孔弹的内炸高,从而提高双复式射孔弹的有效穿深。

当射孔时,射孔弹和火药产生的燃气高压脉冲能量瞬间全部封闭在弹架内,靠弹架的变形胀径削弱脉冲的高峰能量。在弹架变形胀径过程中,射流已击穿射孔枪上的盲孔阻隔,由于薄壁盲孔阻隔射流的力度甚微、时间很短,内压随射流同轴泄放很快,外枪尽管壁薄但胀径量减小。弹架扩胀变形后整体紧贴射孔枪内壁上,对射孔枪起到缓冲补强作用。

从以上分析可见:射孔弹及增效火药能量,包括射孔弹的剩余能量,没有可泄之处,只能向射孔流(即孔道)方向推进,与火药全部燃气峰压作用于孔道,冲击力增大。这不仅有利于穿深扩孔造缝,而且在井筒内产生的强烈脉冲震荡对缓解地层伤害也十分有利。

3、双复式射孔器的技术优势(见题头)

(1)双复射孔器充分利用了套管空间和枪内空间, 提高了枪内炸高,可以较好地发挥射孔弹固有的穿深能力;

(2)套管上的孔眼分布、孔眼深度一致性较好,有利于提高产量和保护套管;

(3)增效药对地层的作用更加直接,能量利用率更高,对射孔压实带的清除作用,这对于提高近井带的渗透性具有重要的意义。