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1、4油田新技术动态负压射孔技术进展及应用通常作业人员都是在井筒压力低于储层压力的情况下进行射 孔。这种静态负压条件有利于清理破碎岩石和岩屑。但研究人员 发现因为岩屑清理不彻底，应用这种技术得到的生产动态总是不 太理想。最新研究对发生在聚能射孔弹引爆过程中产生的瞬时效 应有了更深入的认识。工程师正充分利用动态负压条件获得更洁 净的射孔孔道。采用这种新技术射孔的井通常比用传统方法射孔 的井生产动态要好。Dennis Baxter Harouge Oil Operations（加拿大石油公司） 利比亚的黎波里Larry Behrmann Brenden Grove Harvey Williams美国得
2、克萨斯州 RosharonJuliane Heiland 安哥拉罗安达Lian Ji Hong CACT 作业者集团 中国广东深圳Chee Kin Khong 中国广东深圳Andy Martin 英国剑桥Vinay K. Mishra 加拿大艾伯塔省卡尔加里Jock Munro 苏格兰阿伯丁Italo Pizzolante VICO 作业公司 印度尼西亚雅加达Norhisham Safiin Raja Rajeswary Suppiah PETRONAS Carigali 马来西亚吉隆坡油田新技术2009 年秋季刊 ： 21 卷，第 3 期。 2009 斯伦贝谢版权所有。在编写本文过程中得到以
3、下人员的帮助，谨表 谢意：利比亚的黎波里的Adil Al Busaidy，美国得 克萨斯州Rosharon的Daniel Pastor，以及得克萨斯 州Sugar Land的Martin Isaacs和Steve Pepin。Enerjet，PowerJet，PowerJet Omega，PURE，SPAN 和TRUST等是斯伦贝谢公司的商标。Excel是微软公司的商标。1. RP 19B，Recommended Practices for Evaluation of Well Perforators，第二版。华盛顿特区：美国 石油学会，2006年。一口油气井的完井是各专业领 域人员共同努力的
4、结果。地质师、地 球物理师和岩石物理师分析地层、挑 选钻井目标，工程师确定井位并进行 钻井、下套管，然后进行固井。岩石 物理师解释测井资料，识别生产层。 上述各方面的共同努力带来这样一个 决定性的时刻：射孔枪射穿套管、水 泥和岩石，在储层和井眼之间建立通 道。这一环节不能失败，必须取得成 功。动态负压射孔为确保实现这一环节作业目标提供了一种方法。 射孔枪引爆射孔弹后，在短短数 十微秒内，聚能射孔弹爆炸，释放出 液化粒子，形成高速喷射流，以8000 米/秒（26520英尺/秒）的速度传播， 在套管上产生高达41 GPa（600万psi） 的压力波，在地层上产生高达6.9 GPa （100万psi
5、）的压力波。直接的结果就 是炸开了一条孔道，里面是一层被压 力波破坏了的岩石，其中充满碎屑。 如果不将碎屑清理出去，压碎的岩石 就会阻挡流体流动，碎屑（即岩石碎 片和炸药残片）还会堵塞孔道和孔 喉。过去常用静态负压技术作为清理 此类新形成孔道的行业标准。通常， 在下套管且内有液体的井筒中下入射 孔枪。液柱产生的静压是液柱高度和 流体密度的函数。如果井筒内液压低 于地层压力，就形成了静态负压状 态。相反，如果井筒内液压高于地层 压力，井就处于正压状态。作业人员 在静态负压条件下进行射孔，就是希 望利用这种负压差使地层流体迅速流 入井筒，实现清理碎屑的目的。但使用静态负压射孔方法得到的生产动态 常
6、常不令人满意。 新 型 射 孔 方 法 ， 即 动 态 负 压 （DUB）射孔方法，充分利用了对射 孔过程中发生在射孔枪系统、井筒和 地层中的瞬时压力进行研究后获得的 信息。聚能炸药爆炸产生的破碎岩石 被清理，随着地层流体向井筒流动， 把破碎岩石及其他射孔碎屑冲到井 筒。除此之外，DUB射孔方法还可以 在起初为负压、平衡压力甚至是正压 状态的井筒产生这些效应。其结果就 是把射孔孔道清理的更干净，井的生 产动态更好。52009 年秋季刊动态负压静态负压正压过去，设计工程师一般把研究重 点放到开发能够形成干净且又大又深孔道的射孔弹上。然而，DUB射孔技术 证明，虽然上述特点很重要，但达到 最大产能
7、所要求的不仅仅是更有效力 的聚能射孔弹。充分利用射孔中和射 孔后发生在孔道中的瞬时现象能够改 善孔道几何形状和流动效率，这两项 因素直接影响井的生产动态。 井下环境条件下的射孔表现与 多种因素有关，因此，不可能根据地 面试验预测射孔深度和入口孔径。但 是，作业公司可通过标准化试验对比 不同规格的聚能射孔弹，也可以根据 试验资料利用模拟程序预测基于岩石 属性和井下条件的射孔弹性能。2000年，美国石油学会发布了油井射孔 器评估推荐做法，RP 19B，该标准为评价不同供应商提供的射孔弹提供了 指导和流程1。API RP 19B代替了RP 43 标准。除此之外，API提供射孔器见证 程序，使得试验结
8、果更加可信。 本文对DUB射孔原理进行了解 释，并对DUB射孔技术最近在加拿大 和中国的应用情况进行了介绍。另 外，在马来西亚的砾石充填井中对 DUB射孔系统进行了试验，结果证明 了该系统的有效性。所试验的射孔系 统就是从当前正在研究的井筒动态分 析基础上发展而来的。本文还对API RP 19B推荐做法进行了回顾，从而为 DUB射孔技术的应用提供有用的背景信息。PURE 过程 多年来，对射孔技术的研究主 要致力于开发在套管井能够射出穿 透深、入口孔径大的孔道，且在孔道 中形成较少岩屑碎片的聚能射孔弹 （请参见“API RP 19B标准化射孔试 验”，下一页）。上述标准虽然重要，但并不是影响射孔
9、结果的唯一因素。 油井生产动态是最重要的衡量标准。 聚能射孔弹产生的高速喷射流 和极高压力能够穿透被钻井污染的地 层，进入原状岩层。在形成孔道的过 程中，高速喷射流击碎基岩颗粒，改 变孔道周围岩石的力学特性。（下接第8页）6油田新技术诸多因素影响射孔孔道的形 成。通过地面试验实际上不可能复 制井下射孔弹的动态。但用客观标 准评价射孔弹性能能够提出一种对 比不同射孔弹的方法，为预测穿透 形状和向井流动特征的模拟程序提 供基准。 美国石油学会（API）于2000年 11月出版了RP 19B油井射孔器评估 推荐做法，代替RP 43。RP 19B的 第二版于2006年9月发布。该书为制 造商提供了五部
10、分内容，概述了具 体试验程序。“B”表示推荐做法， 不是规定标准。但API只登记制造商 遵守推荐做法的射孔弹性能1。 RP 19B中两项最重要的更新是 独立证程序和改用API 16/30目压裂 砂，用于第一部分试验靶所用的混凝土集料2。射孔枪见证程序目的是 使试验结果更可信。根据制造商的要 求，API将提供经核准过的见证程序， 以便审查和验证试验工序。因为按照 以前的标准规定的极限值，用砂制成 的混凝土实验靶进行试验所观察到的 穿透深度差异较大，所以新标准对可 接受的矿物组分和砂粒尺寸都有更严 格的控制3。第一部分第一部分试验在常温常压下进 行，目的是对基本射孔系统进行评 估，是唯一一套API
11、公认的完整射孔枪 系统试验（左下图）。服务公司在钢 管内对一段套管进行固井来制备目标 靶。在中间部分灌入混凝土集料，射 孔试验前先用混凝土集料制成的标准 水泥试块进行耐压强度试验。 试验用射孔弹必须经过至少1000 次的生产运行，高温射孔弹除外，但 也必须经过至少300次的生产运行。枪 系统中枪的位置、射孔密度、相位以 及射孔弹数量等均须在数据表中详细 列出。射孔弹之间的影响、相位、射 孔硬件和射孔密度都能改变射孔枪的 性能，因此射孔枪系统的试验结果并 不总是和单炮试验一致。枪系统的试 验至少要12炮，且枪硬件必须按照标 准油田设备进行验证。测量套管射孔 入口尺寸和穿透深度并记录到射孔枪 系统
12、数据表中。 虽然在水泥中总穿透深度是一个 相对值，但这并不反映在地层岩石中 的实际穿透深度。如果已知地层力学 属性，用诸如SPAN射孔分析程序这样的模拟软件就能估计射孔枪系统的 井下性能。第二部分在第二部分的试验中，在常温 下将射孔弹射入施加应力的Berea砂 岩靶内4。单炮试验是利用实验室装 置进行的（下图）。试验时，侧限 应力和井筒压力开始都设置为3000 psi（20.7 MPa），任何诱发的孔隙压 力都与大气压相通。虽然这一试验 没有再现具体油藏的条件，但试验 岩石被施加应力，与第一部分无应 力混凝土靶试验相比，还是有了重 大改进。套管射孔枪水试验用 标准水 泥试块钢管固化28天的混凝
13、土聚能射孔弹环空流体靶板橡胶套4英寸或7英寸 直径的岩心岩心通气口流体入口 API RP 19B第一部分试验。用标准油井设 备对混凝土试验靶进行射孔后确定聚能射孔 弹入口孔直径和射孔深度。在套管周围灌注 的混凝土必须满足耐压强度和组分等具体要 求。试验靶的耐压强度用标准水泥试验块进 行验证。API RP 19B 标准化射孔试验 API RP 19B第二部分试验装置。用施加应 力的Berea砂岩靶进行单炮射孔试验。72009 年秋季刊第三部分第三部分的受热试验用来评 估射孔枪系统受热后的性能退化情 况。用受热后的射孔枪对焊到枪体 上的钢板射孔，至少发射6枚射孔 弹。然后将受热后射孔枪射开的孔 道
14、深度与入口孔道直径与环境条件下射孔枪射开的孔道深度与入口孔 道进行比较（上图）。第四部分第四部分的试验是在实验室单炮 枪模条件下对封闭岩样进行射孔，然 后评估其流动性能（上图）。试验装 置主要由三部分组成：一个封闭室， 用来对岩心施加应力，一个系统用来 对孔隙流体加压并模拟远场油藏响 应，以及受压井筒室。这一试验对岩 心流动效率（CFE）进行测量5。CFE 与单一射孔孔道引起的表皮损害有 关，可用来定量分析射孔破碎带的基 本特征。实际上很少有研究人员按照 书本进行第四部分试验。主要原因是 作业公司希望预测具体油藏条件下会 发生什么情况，或者是评估指定应用条件下的最佳射孔技术。第五部分第五部分提
15、供了一套确定射孔 弹引爆以及射孔枪收回后从射孔枪 冲出去的碎屑量。新型试验的观测结果API RP 19B发布于2000年，许多 根据API RP 43推荐做法所做的试验都 用新方法进行了重新认证。两种方 法的试验结果差异从极小到很明显 不等。例如，斯伦贝谢PowerJet射 孔弹用新方法重新试验后观测到的 总穿透深度减少了14%6。而21/8英寸 （5.4厘米）的Enerjet III射孔弹用两种 方法试验观测到的穿透深度之间的 差别仅有0.07%。 用混凝土试验靶进行试验可 能不能准确反映射孔弹在井下的性 能，但却为业界提供了一套比较不 同射孔弹性能的基准。鉴于API RP 19B规定了更加
16、严格的试验方法，加 上见证程序，使得发布的试验结果 的可信度大大提高。井筒孔隙压差井筒压力测微计阀模拟套管和水泥的板与井筒相连的 5加仑储罐模拟井筒聚能射孔弹岩样封闭压力数据封闭岩心室井筒压力数据30加仑储罐模拟油藏岩样快速石英压力计导热带钢条试验靶 API RP 19B第三部分受热试验。先使射孔 枪受热，然后用受热后的射孔枪对叠层钢条 试验靶射孔来测试射孔枪在受热条件下的性 能。 API RP 19B第四部分CFE试验。用模拟地下条件的特制试验装置测量流动 性能。只要所用岩样的组分与井下地层类似，那么这一试验得出的试验结 果非常接近井下结果。1. 有关API试验结果认证，请登录http:/ compositelist.api.org/FacilitiesList.ASP?Fac=Yes& CertificationStandard=API-19B（2009年6月1日 浏览）。2. API规定的压裂砂规范包括砂粒大小、球 度、圆度、抗粉碎能力和矿物成分。16/30 目标准要求90%的砂粒都在0.5951.19毫米 （
