王喜,李尚杰,馬英文,盛廷強(qiáng),李必紅

(1.西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司,陜西 西安 710061;2.中海油天津分公司工程技術(shù)中心,天津 300452;3.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300452)

0 引 言

與常規(guī)油氣資源相比,致密油氣藏儲層具有高的抗壓應(yīng)力和高地層壓力等特點(diǎn)。彭原平等[1-4]使用高溫高壓射孔裝置對非致密砂巖靶進(jìn)行了射孔彈性能評價,所用砂巖靶孔隙度分布范圍為12%～22%,對應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度范圍為8～46.5 MPa,常溫常壓下使用89型射孔彈進(jìn)行砂巖靶的穿孔性能實(shí)驗(yàn),其穿孔深度在253～304 mm之間。Liam McNelis等[5]依據(jù)API RP19B標(biāo)準(zhǔn)要求,對5種砂巖進(jìn)行了射孔彈穿深性能的研究,孔隙度范圍在11%～22%,研究對象主要以非致密砂巖為主。

上述研究工作對相應(yīng)地層類型的射孔參數(shù)優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義,而國內(nèi)外對致密砂巖的射孔研究較少。致密油氣藏地質(zhì)條件復(fù)雜,儲層具有低孔隙度、低滲透率特點(diǎn),勘探和開發(fā)難度高,射孔孔眼作為溝通井筒和地層的通道,其效果和射孔器的性能至關(guān)重要。因此,開展高應(yīng)力致密巖層射孔技術(shù)研究,了解不同強(qiáng)度致密砂巖的物理特性和射孔彈在高致密巖層的穿孔性能,可為今后射孔彈個性化定制設(shè)計(jì)提供方向,同時為非常規(guī)油氣藏開發(fā)的增產(chǎn)措施提供新的途徑。

1 致密砂巖靶選擇和試驗(yàn)

選用致密灰色砂巖、致密紅色砂巖和致密紫色砂巖3種具有強(qiáng)度梯度差的致密砂巖作為目標(biāo)靶,3種致密砂巖部分物性參數(shù)見表1。

表1 3種致密砂巖部分物性參數(shù)

圖2 114型射孔彈地面模擬裝槍穿致密砂巖靶效果圖

1.1 試驗(yàn)器材

選用114型和89型2種超深穿透射孔彈,地面模擬裝槍試驗(yàn)裝配參見文獻(xiàn)[6],地面模擬裝槍炸高參數(shù)見表2。目標(biāo)靶尺寸規(guī)格見表3。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件1:常溫常壓條件下進(jìn)行地面模擬裝槍穿3種致密砂巖靶性能試驗(yàn)。

*非法定計(jì)量單位,1 in=2.54 cm,下同

表3 致密砂巖靶規(guī)格

試驗(yàn)條件2:選用89型超深穿透射孔彈在中石化勝利石油工程有限公司測井公司高溫高壓射孔效能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行穿孔性能試驗(yàn),試驗(yàn)裝配見圖1。其中井筒溫度為60 ℃,靶體圍壓為30 MPa,研究中選取致密紅砂巖作為測試靶,靶體尺寸為Φ150 mm×750 mm。

圖1 試驗(yàn)裝配示意圖

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

1.3.1 射孔彈地面模擬裝槍穿致密砂巖試驗(yàn)

按照試驗(yàn)條件1,114型和89型射孔彈穿致密砂巖靶試驗(yàn)效果見圖2和圖3。穿深性能測試結(jié)果見表4。

圖3 89型射孔彈地面模擬裝槍穿致密砂巖靶效果圖

致密砂巖類型試驗(yàn)序號穿孔深度/mm114型89型模擬套管穿孔孔徑/mm114型89型178061011.3×11.59.0×9.1275058011.2×11.69.0×9.9致密灰砂巖373059511.4×11.49.1×9.5473060511.9×12.19.0×9.3571059011.5×11.79.5×9.8平均值74059611.69.3173051011.2×11.78.2×9.3278549511.4×11.68.6×8.8致密紅砂巖372048011.3×11.68.3×9.0471049011.5×11.58.5×9.2569050511.4×11.78.6×8.9平均值72749611.58.7165044011.6×11.89.4×9.4261046511.2×11.38.7×9.2致密紫砂巖363045011.8×12.38.4×8.8459044510.5×10.78.5×9.1563045011.3×11.48.6×9.0平均值62245011.49.0

1.3.2 89型射孔彈在30 MPa、60 ℃條件下穿致密砂巖靶試驗(yàn)

按照試驗(yàn)條件2,89型射孔彈模擬裝槍穿致密紅砂巖靶試驗(yàn)效果見圖4。穿深性能測試結(jié)果見表5。

表5 30 MPa/60 ℃條件下89型射孔彈地面模擬裝槍穿致密紅砂巖靶試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 30 MPa/60 ℃條件下89型射孔彈地面模擬裝槍穿致密紅砂巖靶效果圖

2 結(jié)果分析

2.1 致密砂巖靶強(qiáng)度對穿深的影響

地面模擬裝114槍穿不同強(qiáng)度致密砂巖靶穿深數(shù)據(jù)分布圖及影響見圖5和圖6。

從圖6可知,同種射孔彈在不同強(qiáng)度致密砂巖靶的穿深呈現(xiàn)下降趨勢,該結(jié)論與國外研究結(jié)果一致[7-8];由于裝藥量的差別,114型射孔彈穿深比89型射孔彈穿深效果更有優(yōu)勢。

圖5 地面模擬裝槍穿不同強(qiáng)度致密砂巖靶穿深數(shù)據(jù)對比圖

圖6 致密砂巖強(qiáng)度與射孔穿深的關(guān)系圖

2.2 致密砂巖靶在圍壓條件下對穿深的影響

89型射孔彈分別在常溫常壓條件下和井筒溫度為60 ℃,靶體圍壓為30 MPa條件下進(jìn)行了模擬裝槍穿致密紅砂巖靶試驗(yàn),穿深數(shù)據(jù)對比圖見圖7。

圖7 89型射孔彈在有無圍壓條件下的穿深對比圖

通過表4和表5可知,89型射孔彈在30 MPa/60 ℃條件下穿深較常溫常壓條件下平均穿深降低23%,與文獻(xiàn)[2]中所述結(jié)論靶體在受應(yīng)力約束條件下的穿深比無應(yīng)力約束條件下的穿深低一致。研究中射孔彈所使用的炸藥為RDX,根據(jù)文獻(xiàn)[9]中所述RDX炸藥在107 ℃條件下經(jīng)200 h后開始分解。因此,研究中89型射孔彈在60 ℃環(huán)境下爆轟性能是穩(wěn)定的,靶體圍壓成為對89型射孔彈穿深影響的主要因素,同種射孔彈在不同圍壓條件下對致密砂巖靶的穿深影響需要進(jìn)一步研究。

2.3 砂巖顆粒對穿深的影響

砂巖顆粒對穿孔深度的影響主要為砂巖粒度、顆粒硬度2個方面。研究中選用致密灰砂巖、致密紅砂巖和致密紫砂巖碎屑成分中石英含量均超過80%,屬于石英砂巖,砂巖顆粒硬度基本一致。

致密灰砂巖結(jié)構(gòu)屬于細(xì)砂結(jié)構(gòu),致密紅砂巖屬于細(xì)-極細(xì)砂結(jié)構(gòu),致密紫砂巖屬于中細(xì)砂結(jié)構(gòu),其中砂、細(xì)砂和極細(xì)砂含量差異很大。據(jù)文獻(xiàn)[10]所述,隨著砂巖顆粒度增大,砂巖靶穿孔深度呈下降趨勢。致密紅砂巖在抗壓強(qiáng)度上高于灰砂巖強(qiáng)度,兩者相差16.5 MPa;但致密灰砂巖的顆粒度大于紅砂巖顆粒度,在樣塊抗壓強(qiáng)度和砂巖顆粒粒度的綜合影響下,致密紅砂巖的穿孔深度和致密灰砂巖的穿孔深度相差僅有13 mm。致密紫砂巖碎屑中細(xì)砂、極細(xì)砂含量和灰砂巖細(xì)砂、極細(xì)砂含量相差不大,但致密紫砂巖在抗壓強(qiáng)度高于灰砂巖,對穿孔深度影響較大。

綜上所述,致密砂巖的抗壓強(qiáng)度對穿深的影響較砂巖顆粒對穿深的影響嚴(yán)重。

2.4 孔隙度對穿深的影響

孔隙度越小,砂巖越致密,砂巖越接近均質(zhì)狀態(tài)。根據(jù)表1和表3,按照試驗(yàn)條件1,得到2種型號射孔彈在不同致密砂巖靶孔隙度條件下的穿孔深度對比(見表6)。

表6 孔隙度對2種型號射孔彈穿孔深度的對比

從表6可知,孔隙度相差越大,對穿深的影響越明顯。89型射孔彈穿深受孔隙度的影響大于114型射孔彈,造成這現(xiàn)象的主要原因是114型射孔彈形成的射流能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于89型射孔彈的射流能量,114型射孔彈在穿致密砂巖時穿深上更具優(yōu)勢。

3 結(jié)論

(1)在無圍壓約束條件下,同種射孔彈對不同強(qiáng)度的致密砂巖靶進(jìn)行穿孔試驗(yàn),得到砂巖抗壓強(qiáng)度和孔隙度是影響射孔彈穿深的主要影響因素。

(2)不同砂巖靶的孔隙度、碎屑顆粒、顆粒硬度均會對靶體的穿深有影響,因此,從試驗(yàn)得出的抗壓強(qiáng)度對穿深有較大影響外,還需要進(jìn)一步了解地層中砂巖的性質(zhì),減少實(shí)際應(yīng)用差異。

(3)89型射孔彈在圍壓條件下對致密紅砂巖靶的穿深性能相比裸靶下降達(dá)到23%,下降明顯。而射孔彈在不同圍壓條件下,對不同強(qiáng)度致密砂巖的穿孔深度的影響還需進(jìn)一步研究,為致密砂巖儲層的射孔工藝設(shè)計(jì)提供更好的數(shù)據(jù)支持。

(4)從穿孔深度和穿孔孔徑角度看,大藥量、大口徑、超深穿透射孔彈更適合對致密砂巖儲層射孔。