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1、38多级脉冲深穿透射孔技术在塔里木油田的研究与应用李强 宋中华 钟家维 单全生 欧如学 刘昆塔里木油田公司开发事业部摘 要 塔里木油田的油（水）井经过长时间的开发，由于受到钻井、井下作 业及增产措施等因素影响，导致油（水）井近井地带污染严重，严重影响油井 产能及注水效果。常 规射孔技 术无法解决油（水）井近井地带污染问题，因此研发了多 级脉冲深穿透射孔技 术， 该技术可以一次同时完成聚能射孔和两次火 药压裂等三道工序，从而使射孔孔道压实带破碎，在孔眼周围形成多条径向和垂直裂缝，沟通地层的天然裂缝，达到深穿透近井地层污染带，改善近井区域地层导流能力的目的，最终提高油井产能。该技术能有效的改善射孔
2、孔眼及近井带地层的流动条件，尽可能的增大井筒周围的渗流面 积，降低射孔表皮系数，提高油井产能。关键词 多级脉冲 深穿透 两级火药装药 脉冲压力 压力控制1 前言塔 里 木 油 田 在 低 渗 油 藏 开 发 过 程 中 ， 无 论 生 产 井 还 是 注 水 井 ， 在 生 产 之 前 ， 普 遍 采 取压 裂 、 酸 化 等 方 法 进 行 油 层 改 造 。 但 是 ， 压裂、酸化作业因其自身固有的缺陷，在应用过程中有一定的局限性。例如，水力压裂虽然压力持续作用时间长，可以在地层中产生较长的裂缝，但由于它的瞬间峰值压力不高，因此裂缝的数量较少，而对于提高近井带地层的渗流能力，多裂缝效果更好
3、，并且水力压裂、酸化压裂成本太高，工艺繁杂。此外，压裂、酸化容易对地层造成二次污染，不利于保护产层。为了妥善解决这一矛盾，提出了多级脉冲深穿透射孔技术。2 多级脉冲深穿透射孔技术简介多级脉冲射孔工艺技术是一种全新的射孔工艺，区别于以往其他任何射孔方法，是一项射孔与小型压裂相结合的新射孔技术，达到了国际领先水平。过去，无论负压、正压或平衡压力射孔，在穿孔瞬间，井筒内的压力是静液柱压力，而多级脉冲射孔技术，利用多级火药装药技术和射孔技术的合理组合，来实现多级火药装药的顺序燃烧，连续产生3个脉冲峰值压力，动态压力作用于孔道地层。射孔成孔后利用多级火药燃烧产生高压燃气，随着一级火药燃烧，产生脉冲压力作
4、用于孔道与地层，进行解堵、造缝，随着压力下降又形成负压，再次冲洗孔道，随后二级火药燃烧，再次形成脉冲压力作用于孔道和地层，进行延缝和扩缝；以达到解堵、造缝、延缝、扩缝的目的，改善近井带地层渗流条件，从而增加油井的产能。2.1 多级脉冲深穿透射孔技术机理392.2 火药配方的优选多级脉冲射孔的关键技术是采用分级点火控制技术，通过对两级火药配方的优选，使三种装药的作用能量在时间上达到合理匹配，对不同火药配方进行燃烧控制，实现分段燃烧，在较短的时间内使燃烧初压达到峰值压力，能量梯次释放。药块的点火延滞期用下式表示：（1）2024Thchg式中：点火延滞期；h总传热系数；有对流、辐射、热传导； 装药绝
5、热系数； 装药密度；c火药比热； 装药发火温度； 热源温度； 装药初gThT0T温。峰值压力用下式(2)表示：(2)nSCump1)20(式中：p m峰值压力； u 0燃速系数；装药密度； C 特征速度; s 1燃烧面积； s 2套管上射孔眼总面积； n压力指数。三级装药在50发动机进行了燃烧试验（见图3），以对比火药的燃烧速度和峰值压力。实测组合推进剂在发动机内燃烧过程的压力-时间曲线如图1、图2所示。 时 间 (ms) 压 力 （ MPa） 2 0 6 18.4 8 38 10 28.4 14 19.6 18 14.0 2 10 力 (ms) 力 MPa 10 30 2 7 30 150
6、4 8 50 0 附 图 3 J推 进 剂 P-T曲 线 测 试 图 1 J2 推进剂 P-T 曲线 图 2 J2 推进剂 P-T 曲线40图3 三级装药在50发动机的p-t曲线该试验说明三级装药具有不同的燃烧速度，可以顺序产生不同的压力峰值。2.3 药量的设计根据地层破裂压力和套管、枪体的承压指标，确定井筒内的峰值压力，根据设计的峰值压力参数，控制两级火药的总装药量。根据火箭发动机燃烧室内压力计算原理，由火箭发动机的燃烧室内压力公式得出峰值压力为：Pmax=( C * 1S/S1)1/(1-r) （3）上式中， 为枪体内装药的密度， C *为装药的特征速度， S 为枪体内装药的总表面面积，S
7、1为枪体孔眼的总面积之和， R 为装药的压力指数， 1为装药的燃速系数。2.4 动态压力作用过程多级脉冲射孔器在井下引爆时，可以近似地看作是一个在密闭容器中发生的伴随产生大量的高温、高压气体的化学反应过程，其反应的容器即为射孔枪。在反应初期，根据理想状态下的气态方程中 P、 V、 T的关系式，可以看出射孔枪内部的剩余空间，对压力的产生具有一定的调节作用。当枪内压力达到一定的值时，射孔孔道形成，压力作用空间为整个井筒，压力主要有以下几个释放途径：1、通过射孔孔眼作用于地层；2、作用于压井液举升液柱；3、作用于井下保护装置被吸收，但此过程是可控的，当峰值压力在安全范围内时，保护装置不启动。压力-时
8、间关系式： （4）上式中：p是燃烧产物形成的气泡内的压力,q是燃烧产物的热流量。 dH0,是弹的内径和高dptfmdtpqpdVtVxSan TgTg(/)()12041度； n,是火药的密度和余容。 f是火药力；m是火药弹质量； 是燃烧产物的多变指数；VT是火药弹燃烧部分所释放出的体积和挤入裂 缝的液体体积； S是井的横截面积；x是弹以上火药气所占井段的高度。3 多级脉冲深穿透射孔器及装药结构3.1 射孔枪耐压的实现多脉冲射孔器在起爆时，除射孔弹起爆瞬间产生的压力外，随后两级火药顺序燃烧将产生持续的压力作用，此时射孔枪身内压极大，通过对多种不同金属材料的屈服点强度、韧性等参数进行比较，在进行
9、一系列的模拟试验的基础上，最终确定一种钢管做为多脉冲射孔器的枪身材料。射孔枪耐压105兆帕，较国内油田普遍使用的70兆帕复合射孔器耐压高一级别，使用于塔里木油田。国内复合射孔器普遍采用在枪体上安装的铝垫或胶皮垫作为高压气体的释放通道，其枪体的耐压级别低，一般小于70兆帕；并且在射孔器下井过程中极易因为管壁、工具等刮蹭破坏射孔器耐压，造成射孔失败。多级脉冲射孔枪体采用双盲孔设计，一方面保证了射孔弹的穿深，同时满足了射孔器的耐压要求。3.2 盲孔的确定大直径射孔器为达到一定的耐压指标，枪壁较厚，为了避免在枪体最大外径处出现毛刺，在使用厚壁射孔枪时均在枪体相应布弹的相位上打盲孔。研究表明，盲孔越厚，
10、射流能量损失越大，穿透深度越小，带盲孔射孔枪就是为减少厚壁对穿深的影响，3.3 泄压孔的设计 射孔起爆瞬间将产生极高的温度和压力，由于采用枪内装药结构，因此射孔枪可以被近似的看作一个密闭的容器，其内部作用产生的高温、高压气体将通过射孔孔眼和泄压孔释放到套管环空，为 确 保 多 级 脉 冲 射 孔 的 火 药 压 力 顺 利 的 进 入 射 孔 孔 道 并 作 用 于 射 孔 层 位 区 间 ， 在 射孔 枪 体 设 计 加 工 内 外 相 贯 通 的 泄 压 孔 堵 塞 器 ， 当 射 孔 后 产 生 的 高 温 高 压 气 体 ， 可 以 通 过 泄 压孔 ， 使 枪 内 的 压 力 快 速
11、 释 放 在 枪 套 间 的 环 形 空 间 里 ， 作 用 于 地 层 。3.4 装药结构设计多级脉冲射孔器采用一体式枪内装药结构，把射孔弹和两级复合火药均装在射孔枪内，一级火药充填在射孔弹架内；二级火药则充填在弹架外的枪内空间里。采用这种结构可以使两级火药燃烧产生的高温、高压气体均能够跟随着射流通过射孔孔眼直接作用于地层，提高整个火药能量的利用率，延长作用时间，加强作用效果。4 工艺技术安全性424.1 对井内套管及水泥环的伤害分析由于多级脉冲射孔将产生较高的峰值压力，因此需要考虑根据井身结构、井内套管的规格、型号、耐压指标和固井质量合理设计、调整装药量，以保护套管。通过设计测量P-T曲线
12、也表明多脉冲射孔的峰值压力是反复加载，所以在保证两次峰值压力分别达到地层破裂压力的条件下，不会产生叠加，可以确保套管和水泥环不受损伤，并且在港X-XX井进行了鹰眼测试，证明套管无任何损伤。图4-1 鹰眼测试照片 图4-2 鹰眼测试照片4.2 多脉冲射孔下井管柱受力情况分析(1) 静液柱压力受力分析多级脉冲射孔施工时，下井过程中射孔枪及配套工具的主要承受压井液产生的静液柱压力。首先要保证射孔枪及配套工具在压井液的作用下不被挤压损坏,考虑各种意外情况，设计施工时射孔器材的抗外挤压力安全系数应大于1.5倍。(2)引爆瞬间高压与震动分析射孔枪引爆时所产生的瞬间高压和机械振动对射孔器自身和井下工具将产生
13、破坏作用。产生高压的原理：射孔弹引爆后产生高压、高速聚能射流，聚能射流穿过枪身、套管穿透地层形成孔道。同时两级火药梯次燃烧伴随产生大量气体，形成两次峰值压力，向环空释放能量，沿射孔孔眼做功压开地层，当地层比较致密时，部分返回环空，使环空压力增高。机械振动产生的原因：射孔枪引爆时，作用在径向上的力分布不均匀使射孔枪产生横向的摆动；作用在射孔枪身的力与井眼轴线不垂直，使射孔枪产生纵向震动。通过对两种破坏原因分析可知，只要将最大峰值压力和机械震动控制在井下管柱的安全范围之内，就能够对下井管柱进行有效保护，所以采用峰值压力控制阀 、泄压孔堵塞器 来控制瞬间高压，新型减震装置控制机械震动。5 技术特色(
14、1)同目前使用的单级复合射孔技术相比，火药的装药量提高了1.52倍，造缝能力更强，对地层作用时间延长34倍。(2)深穿透射孔地层。43地层污染侵入带是影响射孔效果的一项重要因素，在地层污染侵入带渗透率会明显下降，因而影响液体的流动。多级脉冲技术三级能量的射孔和压裂作用使延缝深度达3米，可有效穿透地层污染侵入带后进入原状地层一定深度，为地层的油气流进入井筒创造畅通的通道。2006年在大庆射孔弹检测中心进行了6m环形混凝土靶（见图5-1）打靶测试，混凝土靶按API-RP-43标准制作；试验过程中用手压泵加压模拟井筒静压，套管内灌满添加红色染色剂的清水；射孔后靶柱沿90度方位劈裂成四块（见图5-2）
15、，造缝上有明显暗红色侵蚀痕迹（见图5-3），延缝深度大于3米。通过P-T曲线（见图6）可以看出，射孔弹起爆后两级火药顺序燃烧总共产生了三个压力脉冲，持续时间1000毫秒。此外在该技术的应用过程中，还对井下的压力变化曲线进行了监测，图7为XX井的井下P-T曲线，图中可以三级能量所产生的压力脉冲作用过程非常清楚。该井射孔层破裂压力约40MPa，一级火药峰值压力为61MPa，二级火药峰值压力（18.9MPa）低于破裂压力，证明地层已被压开。图5-1 射孔前靶体 图5-2 射孔后靶体 图5-3 射孔后靶体裂缝 图6 记录P-T曲线 44图7 为XX井的井下P-T曲线(3)改善射孔压实带渗流条件。聚能射
16、孔是利用冲击挤压原理形成射孔孔道，射孔后孔道周围形成压实带。根据国外和国内研究表明，压实损害带厚度约为0.641.27cm,渗透率为原始渗透率的70%20%。多级脉冲射孔可使压实带破碎、解除杵堵，改善射孔压实带渗流条件。 (4)造缝、延缝、改善近井带渗流条件。后期地层污染和流体性质对射孔效果也会产生较大的影响。如压井液泄露、结蜡等因素会对射孔孔道形成固相堵塞，使射孔孔眼的有效孔眼降低，最终使产能严重下降。多级脉冲射孔的脉冲作用和形成的裂缝网络可以有效清洁射孔孔道、解除地层污染、改善近井带渗流条件。在应用过程中，对多口井进行表皮系数计算，均为负值，表明射孔目的层的导流能力得到了很大改善。6 现场
