董擁軍,陳曉明,陳立雄,隋朝明,李斌,尚勇

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司天津分公司,天津300280)

0 引 言

在油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中,對(duì)于一些經(jīng)濟(jì)效益欠佳的薄互層、頂?shù)姿畠?chǔ)層,常規(guī)射孔完井方式很難實(shí)現(xiàn)自然產(chǎn)能,如果采用壓裂、酸化等措施對(duì)地層進(jìn)行改造,會(huì)使經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)成本難以平衡[1]。從工程角度考慮,對(duì)頂?shù)姿畠?chǔ)層實(shí)施壓裂存在竄層的工程風(fēng)險(xiǎn)。在鉆井、完井及井下作業(yè)等過(guò)程中,由于鉆井液的侵入帶、射孔的壓實(shí)帶、酸化和壓裂改造等因素,使地層表皮系數(shù)發(fā)生改變,對(duì)產(chǎn)能影響較大。三級(jí)裝藥多脈沖射孔技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)近井帶一定范圍內(nèi)的地層改造,能夠消除射孔的壓實(shí)效應(yīng),地面試驗(yàn)破靶半徑達(dá)2 m以上,是一種高效、低成本的射孔與火藥壓裂結(jié)合的技術(shù),該技術(shù)最大程度實(shí)現(xiàn)了對(duì)非常規(guī)低孔隙度低滲透率致密儲(chǔ)層的挖潛增效。

本文在常規(guī)復(fù)合射孔技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用射孔彈肩部和射孔彈之間的空間,在射孔槍內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了三級(jí)火藥裝藥,增加了火藥的級(jí)數(shù)和裝藥量,并通過(guò)不同燃速的火藥級(jí)配,避免火藥燃燒壓力峰值疊加,增加火藥有效作用時(shí)間。通過(guò)地面試驗(yàn),驗(yàn)證了壓力峰值和有效作用時(shí)間,檢測(cè)了混凝土靶射孔性能和壓裂造縫能力[2],并對(duì)三級(jí)裝藥多脈沖射孔管柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使射孔更加安全可靠。

1 技術(shù)原理

三級(jí)裝藥多脈沖射孔技術(shù)利用深穿透射孔彈和三級(jí)火藥裝藥組合,實(shí)現(xiàn)了高能金屬射流、高溫高壓氣體對(duì)地層的復(fù)合作用。第一級(jí)火藥位于射孔彈肩部,第二級(jí)火藥位于射孔彈之間,第三級(jí)火藥外掛在彈架外側(cè)(見(jiàn)圖1)。射孔施工時(shí),射孔彈起爆產(chǎn)生爆轟波和金屬射流,爆轟波依次引燃各級(jí)火藥,產(chǎn)生高溫高壓氣體。由于三級(jí)火藥的燃速不同,火藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體沿著已形成的射孔孔道對(duì)地層進(jìn)行梯次壓力脈沖作用,可以有效消除射孔壓實(shí)帶,提高射孔孔道周?chē)鷮?dǎo)流能力,延長(zhǎng)壓力脈沖造縫作用時(shí)間,大幅度提高了火藥能量對(duì)地層的做功效率,達(dá)到造縫、延縫效果,解除近井帶污染,形成井筒周?chē)芽p網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增注的目的。

圖1 三級(jí)裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

由于射孔槍內(nèi)部的空間有限、火藥的裝藥量有限、射孔槍有耐壓限制,不能僅通過(guò)增加裝藥量實(shí)現(xiàn)射孔后地層造縫的目的,且相同燃速的火藥不能產(chǎn)生壓力脈沖疊加的作用效果。因此,需要控制不同級(jí)火藥的燃燒速度和裝藥量,使壓力脈沖反復(fù)作用于孔道和地層。通過(guò)利用高溫氧化劑、能量調(diào)節(jié)劑和燃速調(diào)節(jié)劑實(shí)現(xiàn)火藥的三級(jí)不同燃速。三級(jí)火藥為射孔槍內(nèi)置式裝藥,火藥燃燒形成的壓力峰值高,多級(jí)火藥燃速有時(shí)間差,壓力峰值不疊加,延長(zhǎng)了壓力的有效作用時(shí)間。本文設(shè)計(jì)的三級(jí)火藥測(cè)試燃速分別為12.4、8.3和4.5 mm/s,有效保證了火藥燃燒后形成不同梯次的壓力峰值,延長(zhǎng)了壓力脈沖作用時(shí)間。相比于常規(guī)復(fù)合射孔器,三級(jí)裝藥多脈沖射孔器在能量大小、有效作用時(shí)間方面都得到了大幅提高。

2 三級(jí)裝藥單發(fā)射孔彈地面測(cè)試

模擬射孔器的裝配方式,采用射孔彈分別裝配一級(jí)裝藥、二級(jí)裝藥和三級(jí)裝藥,對(duì)不同裝藥類(lèi)型的單發(fā)射孔彈進(jìn)行地面測(cè)試試驗(yàn),以測(cè)試射孔和火藥產(chǎn)生的高能氣體壓力峰值和有效作用時(shí)間,試驗(yàn)參照《油氣井用復(fù)合射孔器通用技術(shù)條件及檢測(cè)方法》(SY/T 6824—2011)進(jìn)行[3]。圖2為地面測(cè)試裝置示意圖,表1為不同裝藥級(jí)數(shù)的地面測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,最大壓力峰值和有效作用時(shí)間與裝藥量呈正比關(guān)系,這在一定程度上反應(yīng)了火藥燃燒的性能特征。但在射孔器有限空間內(nèi),還要考慮射孔器起爆后的安全性,最大壓力峰值過(guò)高會(huì)對(duì)射孔器和井內(nèi)套管造成損傷。將最大壓力峰值控制在一定范圍內(nèi),延長(zhǎng)對(duì)射孔孔道和地層的作用時(shí)間是提高射孔器起爆后安全性的關(guān)鍵。三級(jí)裝藥測(cè)試的最大壓力峰值為54 MPa,有效作用時(shí)間為40 ms,最大壓力峰值比一級(jí)、二級(jí)裝藥分別提高63.6%、17.4%,壓力峰值在安全范圍內(nèi);持續(xù)作用時(shí)間比一級(jí)、二級(jí)裝藥分別提高700%、60%,高能氣體有效作用時(shí)間大幅延長(zhǎng),可以充分作用于射孔孔道和井筒近井帶,達(dá)到造縫、延縫的效果。

圖2 地面測(cè)試裝置示意圖

表1 不同裝藥級(jí)數(shù)的地面測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 地面混凝土靶射孔性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證三級(jí)裝藥多脈沖射孔技術(shù)的安全性能及射孔效果,對(duì)三級(jí)裝藥多脈沖射孔器進(jìn)行二級(jí)裝藥和三級(jí)裝藥地面混凝土靶射孔對(duì)比試驗(yàn),分析兩者射孔后的靶體情況,檢驗(yàn)三級(jí)裝藥多脈沖射孔效果?；炷涟械囊?guī)格Φ 4.0 m×1.5 m,靶齡32 d,混凝土靶的強(qiáng)度分別為40.5 MPa和42.3 MPa,套管規(guī)格Φ 139.70 mm×7.72 m,鋼級(jí)N-80。射孔槍型號(hào)102型,射孔彈型號(hào)SDP46HM X39。

從表2可以看出,三級(jí)裝藥多脈沖射孔器在二級(jí)裝藥、三級(jí)裝藥射孔后的各項(xiàng)指標(biāo)符合行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求,不同裝藥級(jí)數(shù)的射孔器安全性都能滿足作業(yè)要求,射孔器射孔后混凝土靶各項(xiàng)指標(biāo)合格。三級(jí)裝藥多脈沖射孔器與二級(jí)裝藥多脈沖射孔器相比,三級(jí)裝藥多脈沖射孔后,破靶半徑超過(guò)2 m,裂縫寬度由300 mm提高至400 mm,提高了33.3%;常規(guī)射孔打靶試驗(yàn)中,靶體只形成孔道和裂縫,未破靶形成位移;而三級(jí)裝藥多脈沖射孔后,靶體破裂并發(fā)生位移,說(shuō)明三級(jí)裝藥多脈沖射孔器能夠產(chǎn)生更為強(qiáng)大的氣體壓力沖擊,造縫效果得到進(jìn)一步提升。圖3、圖4分別為對(duì)三級(jí)裝藥多脈沖射孔器進(jìn)行二級(jí)裝藥和三級(jí)裝藥射孔后地面混凝土靶的實(shí)物圖。

表2 二、三級(jí)裝藥多脈沖射孔后地面混凝土靶試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 二級(jí)裝藥射孔后的混凝土靶

圖4 三級(jí)裝藥射孔后的混凝土靶

4 三級(jí)裝藥多脈沖射孔安全控制

如表1所示,最大壓力峰值和有效作用時(shí)間都顯示三級(jí)裝藥的火藥能量大。實(shí)際應(yīng)用中,三級(jí)裝藥多脈沖射孔器在井下起爆瞬間比常規(guī)和復(fù)合射孔器能量更高。如果過(guò)高的能量沒(méi)有得到合理控制,容易對(duì)套管及射孔管柱產(chǎn)生損傷,尤其是有封隔器的射孔完井管柱。由于封隔器受爆轟沖擊和井內(nèi)壓力波共同作用,容易發(fā)生損傷失封或意外解封的事故[4],縱、橫向減震裝置能有效地減緩射孔爆轟對(duì)封隔器的沖擊,是保護(hù)管柱安全的重要方法。

本文通過(guò)在三級(jí)裝藥多脈沖射孔器底部增加泄壓裝置(見(jiàn)圖5)和套管壓力控制裝置(見(jiàn)圖6),保證三級(jí)裝藥多脈沖射孔器和套管的作業(yè)安全。泄壓裝置內(nèi)部由密封活塞、活塞固定鋁帽、篩管、連接接頭等組成,該裝置能夠有效泄放射孔器內(nèi)部的異常高壓,避免射孔器破裂。當(dāng)射孔器內(nèi)部壓力過(guò)高時(shí),射孔瞬間產(chǎn)生的高壓氣體推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)并打開(kāi)傳壓通道,射孔器內(nèi)部的高壓氣體通過(guò)篩管泄放,有效控制射孔器內(nèi)部異常高壓,保護(hù)射孔器射孔過(guò)程中的安全。同時(shí),為了有效控制射孔后套管內(nèi)的壓力峰值,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)套管壓力控制裝置。射孔管柱入井前,設(shè)定銷(xiāo)釘?shù)膲毫羟兄?入井后射孔形成的爆轟壓力達(dá)到設(shè)定的壓力剪切值時(shí),裝置內(nèi)部滑套向上運(yùn)動(dòng),剪斷銷(xiāo)釘并開(kāi)孔;開(kāi)孔后在套管和裝置內(nèi)部形成通道,壓力進(jìn)入裝置內(nèi)部,降低套管內(nèi)壓力峰值,使壓力峰值處在地層破裂壓力和套管的額定工作壓力之間。這樣既能有效地對(duì)地層做功,又能保護(hù)井下套管[5-6]。

圖5 泄壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 套管壓力控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

三級(jí)裝藥多脈沖射孔技術(shù)已在大港油田低孔隙度低滲透率致密儲(chǔ)層、山西煤層氣非常規(guī)儲(chǔ)層完成現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,射孔后效果顯著。目前,射孔器配套系列以102、127型為主,可實(shí)現(xiàn)射孔孔密13～16孔/m、相位角60°和90°,根據(jù)地質(zhì)、工程需求,可實(shí)現(xiàn)一、二、三級(jí)火藥的模塊化裝配。

5.1 埕XX井應(yīng)用實(shí)例

埕XX井是一口非常規(guī)低孔隙度低滲透率致密儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)井,射孔段厚度10.0 m,射孔段頂部距離水層47.4 m,底部距離水層16.4 m。該區(qū)塊同層鄰井射孔后需要壓裂措施改造,才能形成有效規(guī)模性開(kāi)采。埕XX井射孔層位距離水層較近,考慮壓裂容易聯(lián)通水層的情況,通過(guò)射孔建立井筒與地層溝通孔道,實(shí)現(xiàn)近井帶地層改造。該井前期采用常規(guī)射孔作業(yè),選用102型常規(guī)深穿透射孔器,未裝火藥,射孔厚度10 m,射孔后產(chǎn)液能力差。在充分考慮射孔器、管柱、套管安全的前提下,采用三級(jí)裝藥多脈沖射孔技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)孔作業(yè),選用102型三級(jí)裝藥多脈沖射孔器,在原有射孔層位的基礎(chǔ)上,優(yōu)化射孔厚度,選在層位中部距離頂部4.5 m處進(jìn)行射孔,有效防止射孔層連通上、下水層;控制三級(jí)裝藥的總藥量,三級(jí)火藥按照1∶1∶2的比例裝配,控制造縫縱向?qū)挾取１揪A(yù)測(cè)破裂壓力58 MPa,套管壓力控制裝置剪切值設(shè)計(jì)為65 MPa,處在套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度(70 MPa)的安全范圍。

射孔管柱結(jié)構(gòu)由下至上:89型槍尾+89型壓力吸收槍(槍體長(zhǎng)度3 m)+89型套管壓力控制裝置+102型泄壓篩管(篩管長(zhǎng)度0.5 m)+102型泄壓裝置+102型三級(jí)裝藥多脈沖射孔器+89型安全槍+投棒解鎖安全起爆裝置+篩管+油管。

埕XX井在原產(chǎn)液能力差的情況下,通過(guò)三級(jí)裝藥多脈沖射孔后,測(cè)試日產(chǎn)液37.4 m3,日產(chǎn)油25.9 m3,達(dá)到預(yù)期產(chǎn)能。同時(shí),射孔后沒(méi)有連通上、下部的水層,保障了產(chǎn)量,施工周期短、成本低。

5.2 大吉XX井應(yīng)用實(shí)例

大吉XX井是一口非常規(guī)煤層氣儲(chǔ)層定向井,鄰井及該井前期進(jìn)行了鹽酸體積酸壓作業(yè),酸液在近井帶反應(yīng)過(guò)快,無(wú)法作用到裂縫的中遠(yuǎn)端,近井帶過(guò)度改造,導(dǎo)致近井帶裂縫復(fù)雜。針對(duì)以上情況,設(shè)計(jì)三級(jí)裝藥多脈沖射孔方案,利用射孔金屬射流在穿孔的同時(shí)引燃三級(jí)裝藥,推動(dòng)井內(nèi)的液體沿射孔孔道造縫、延縫,為增加后期壓裂效果創(chuàng)造有利條件,提供更大進(jìn)液空間,避免砂堵風(fēng)險(xiǎn)。大吉XX井射孔作業(yè)選用102型三級(jí)裝藥多脈沖射孔器,該射孔器孔密為10孔/m、相位角為60°、耐壓為105 MPa,射孔段為2 251.4～2 256.4 m,射孔厚度為5 m。該井套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度63.4 MPa,參考本井前期壓裂施工的最大破裂壓力55 MPa,套管壓力控制裝置剪切值設(shè)計(jì)60 MPa。

射孔管柱結(jié)構(gòu)由下至上:102型槍尾+102型壓力吸收槍(槍體長(zhǎng)度2 m)+102型套管壓力控制裝置+102型泄壓篩管(篩管長(zhǎng)度1 m)+102型泄壓裝置+三級(jí)裝藥多脈沖射孔器(射孔段5 m)+安全槍+投棒解鎖安全起爆裝置+篩管+油管。

大吉XX井前期在常規(guī)射孔后壓裂作業(yè)過(guò)程中,裂縫難以向井筒遠(yuǎn)端延展,支撐劑未能沿裂縫走向遠(yuǎn)端作用,造成井筒近端形成裂縫網(wǎng)絡(luò)[7],壓裂效果較差。采用三級(jí)裝藥多脈沖射孔后,在未壓裂情況下測(cè)試產(chǎn)氣情況,火焰高度達(dá)2 m,初期產(chǎn)氣效果明顯,說(shuō)明建立了良好的裂縫產(chǎn)出通道。后續(xù)壓裂作業(yè)中,加砂情況正常,未出現(xiàn)前期作業(yè)的異常情況,產(chǎn)氣量增加20%。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)三級(jí)裝藥多脈沖射孔技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一次下井完成聚能射孔和三次火藥壓裂。射孔作業(yè)時(shí),射孔彈起爆后產(chǎn)生爆轟波和金屬射流,爆轟波梯次引燃各級(jí)火藥,產(chǎn)生高溫高壓高能氣體;三級(jí)火藥的燃速不同,沿著已形成的射孔孔道對(duì)地層進(jìn)行梯次壓力脈沖作用,可以有效消除射孔壓實(shí)帶,提高射孔孔道周?chē)鷿B流能力。

(2)三級(jí)裝藥多脈沖射孔技術(shù)可以對(duì)近井帶儲(chǔ)層進(jìn)行改造,降低射孔壓實(shí)效應(yīng)。在低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層、薄互層、頂?shù)姿畠?chǔ)層,可以通過(guò)三級(jí)火藥多級(jí)脈沖做功,延長(zhǎng)有效作用時(shí)間,大幅度提高了火藥能量對(duì)地層的做功效率,達(dá)到造縫、延縫效果。