杜杲陽(yáng)，徐立前，張虎，田波，王朝輝，李明飛

1.廣東南油服務(wù)有限公司天津東疆保稅港區(qū)分公司（天津 300456）

2.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司（深圳 518067）

3.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部深圳作業(yè)公司（深圳 518067）

4.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部塘沽作業(yè)公司（天津 300308）

5.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（陜西西安 710065)

0 引言

應(yīng)用射孔器材的首要目的是提供套管井或裸眼井與儲(chǔ)層之間的有效流體流動(dòng)通道。為了獲得這樣的通道，射孔器射出一組孔眼，穿過(guò)套管和水泥環(huán)進(jìn)入儲(chǔ)層[1-3]。儲(chǔ)層流體通過(guò)這些孔眼流出的難易程度取決于一些相互影響的復(fù)雜因素，孔眼內(nèi)雜質(zhì)越少，儲(chǔ)層流體流出越容易，油井產(chǎn)能越高。但形成孔眼的射孔過(guò)程會(huì)損害油氣層，儲(chǔ)層流體流出越困難，油井產(chǎn)能越低。射孔表皮系數(shù)[4]被用以描述射孔對(duì)油氣層的傷害程度，它的影響因素主要有：孔眼幾何形狀、射孔環(huán)境和地層性質(zhì)。孔眼幾何形狀一般用射孔密度、相位角、孔眼穿透深度及直徑這4個(gè)參數(shù)描述[5]，而這些參數(shù)很大程度上是由操作人員控制的。射孔環(huán)境如圖1 所示，由于鉆井和固井作業(yè)中的泥漿侵入，或者地層被細(xì)小的顆粒堵塞，井眼周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)滲透率減小的區(qū)域。另外，由于泥漿的侵入作用，射孔孔眼周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)一個(gè)滲透率下降的區(qū)域。負(fù)壓射孔或動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔可以在較大程度上增加孔眼清洗作用。地層性質(zhì)是指地層物理性質(zhì)和原狀地層應(yīng)力條件，會(huì)對(duì)射孔器穿透深度與孔眼周?chē)貙訅毫训某潭群头秶斐捎绊?。地層滲透率和流體性質(zhì)很大程度上決定了流過(guò)孔眼的流體有效清潔孔眼所需要的壓差能級(jí)。

圖1 射孔孔眼周?chē)疽鈭D

聚能射孔爆轟形成的金屬射流會(huì)在形成孔道的同時(shí)形成射孔破壞區(qū)域（壓實(shí)帶），射孔破壞區(qū)域是射孔損害最重要的部分，包括粉碎區(qū)、顆粒壓縮區(qū)和滲透率下降區(qū)。在靠近射孔孔眼3～5 mm 處，會(huì)形成壓實(shí)帶，滲透率大幅降低；在射孔孔眼周?chē)?0 mm處，會(huì)形成滲透率約為原始滲透率7%～20%的破碎壓實(shí)帶區(qū)。聚能射孔會(huì)使地層的平均表皮系數(shù)增大，直接導(dǎo)致射孔井的產(chǎn)能降低[6-8]。

為解決聚能射孔爆轟會(huì)形成壓實(shí)帶，進(jìn)而損害油氣層這一問(wèn)題，近年來(lái)研究學(xué)者提出了復(fù)合射孔、動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔等工藝[9-10]，均取得了較好的效果，但由于射流沖擊壓力巨大，壓實(shí)帶解除效果一般；同時(shí)隨著配套器材的增加，也相應(yīng)增加了射孔作業(yè)的費(fèi)用、難度和風(fēng)險(xiǎn)。新型自清潔射孔技術(shù)則消除了它的影響：在金屬射流形成孔眼的同時(shí)，含能材料會(huì)隨即在孔道內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量的熱量和氣體，這些熱量和氣體會(huì)快速流向井筒內(nèi)部，在將孔道內(nèi)雜質(zhì)攜帶清除的同時(shí)，會(huì)在孔道末端形成裂縫，達(dá)到清潔射孔并提高導(dǎo)流能力的目的[11-12]。

1 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理

動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)是一種射孔后瞬間在井筒內(nèi)形成相對(duì)負(fù)壓的方法，在射孔后降低井筒壓力，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)負(fù)壓差，形成流向井筒的快速回流，以此沖洗孔道及壓實(shí)帶，解除射孔污染。動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔與常規(guī)射孔壓力-時(shí)間（P-T）曲線對(duì)比如圖2所示。通過(guò)在射孔過(guò)程中形成合理的動(dòng)態(tài)負(fù)壓值，可以使井筒內(nèi)動(dòng)態(tài)負(fù)壓持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)[13-14]，以此更好地清理孔道內(nèi)的雜質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層與井筒更好地流通，大幅降低近井帶區(qū)域的滲透幾率。

圖2 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔與常規(guī)射孔壓力-時(shí)間（P-T）曲線對(duì)比圖

自清潔射孔技術(shù)則是采用自清潔射孔彈射孔，射孔彈采用的是含能材料藥型罩,射孔射流示意圖如圖3 所示。射孔彈爆轟形成金屬射流，在油氣層內(nèi)侵徹出孔道的數(shù)毫秒內(nèi)，含能材料在孔道內(nèi)發(fā)生二次爆炸，釋放大量的熱量和氣體，使孔道內(nèi)壓力增大，這些熱量和氣體會(huì)快速流向井筒內(nèi)部，以此對(duì)壓實(shí)帶進(jìn)行沖洗[15]，改善壓實(shí)帶地層特性，同時(shí)清除孔道內(nèi)的巖石碎屑和金屬粉末，并在孔道末端形成裂縫，提高孔道導(dǎo)流能力。

圖3 自清潔射孔彈射流示意圖

將常規(guī)射孔彈和自清潔射孔彈進(jìn)行貝雷砂巖靶流量測(cè)試對(duì)比實(shí)驗(yàn)，兩種射孔彈射孔孔道如圖4 所示。由圖4可見(jiàn)，與常規(guī)射孔彈相比，自清潔射孔彈射孔孔道內(nèi)未見(jiàn)明顯碎屑，孔道更加清潔，孔道末端有明顯枝狀裂縫，孔道孔容明顯增加，孔道流量更大。

圖4 常規(guī)射孔彈與自清潔射孔彈射孔孔道對(duì)比圖

“動(dòng)態(tài)負(fù)壓+自清潔”射孔實(shí)現(xiàn)了對(duì)射孔孔道的二次抽吸，消除了射孔壓實(shí)，大大降低了對(duì)地層的傷害。同時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）“動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔+自清潔”射孔器將更加充分地解除射孔壓實(shí)及清潔彈道，解決因射孔壓實(shí)傷害在總表皮的高負(fù)面權(quán)重。

2）該工藝方法風(fēng)險(xiǎn)小（負(fù)壓自清潔射孔降低液面的井噴風(fēng)險(xiǎn)，動(dòng)態(tài)負(fù)壓液面安全范疇更廣），投入相對(duì)較小，油氣井產(chǎn)能效果好。

2 自清潔射孔彈的研制

2.1 自清潔射孔彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

射孔彈主要由3部分組成：金屬殼體、藥型罩和高能炸藥，如圖5 所示。聚能裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是深穿透射孔彈研究過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。當(dāng)裝藥結(jié)構(gòu)確定之后，射孔彈內(nèi)腔形狀和幾何尺寸、藥型罩開(kāi)口口徑和外錐角、裝藥量和炸藥的分布，甚至炸高都隨之確定。因此，裝藥結(jié)構(gòu)的研究一直是射孔彈研究過(guò)程中首先考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。提高炸藥有效利用率是設(shè)計(jì)裝藥結(jié)構(gòu)的主旨，同時(shí)結(jié)合深穿透的要求，考慮藥型罩的具體幾何形狀、頂部裝藥量以及有效藥量，達(dá)到提高射流頭部速度的目的。

圖5 射孔彈主要部件

聚能藥型罩是射孔彈的核心部分，射孔爆轟時(shí)形成金屬射流侵徹出孔道，其結(jié)構(gòu)將直接影響金屬射流的形態(tài)以及侵徹效果。在設(shè)計(jì)時(shí)，主要應(yīng)確定藥型罩幾何形狀、錐角、壁厚以及合適的材料和壓制成型工藝。在藥型罩的結(jié)構(gòu)上需根據(jù)射流梯度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，該自清潔射孔彈采用獨(dú)特的裝藥結(jié)構(gòu)，提高了射孔彈的聚能效果；采用特殊多錐藥型罩形狀，提高了射孔彈的射流速度和速度梯度，改善了射孔彈的侵徹效果。

2.2 自清潔射孔彈的試驗(yàn)效果及分析

為驗(yàn)證自清潔射孔彈射孔效果，進(jìn)行自清潔射孔彈與常規(guī)深穿透射孔彈砂巖靶地面對(duì)比實(shí)驗(yàn)。自清潔射孔彈型號(hào)SDPR45RDX39-2，藥型罩中添加兩種釋能材料，裝藥量39 g。測(cè)試起爆后砂巖靶中壓力-時(shí)間（P-T）曲線，如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，自清潔射孔彈不僅在爆炸初期產(chǎn)生了一個(gè)高的壓力峰值，還在一定間隔時(shí)間后形成了一次低的壓力峰值，而這一低的壓力峰值則是二次反應(yīng)回涌導(dǎo)致的。

圖6 起爆后壓力-時(shí)間（P-T）曲線

表1為常規(guī)深穿透射孔彈與自清潔射孔彈射孔參數(shù)對(duì)比，圖7 為常規(guī)深穿透射孔彈與自清潔射孔彈孔道對(duì)比圖。對(duì)圖7中常規(guī)深穿透射孔彈與自清潔射孔彈穿深、流量及孔容進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，SDPR自清潔射孔相比常規(guī)射孔，射孔孔道更加清潔，射孔后孔道的孔容和流量分別提高了110.9%和17%。

表1 常規(guī)深穿透射孔彈與自清潔射孔彈參數(shù)對(duì)比表

圖7 常規(guī)深穿透射孔彈與自清潔射孔彈孔道對(duì)比圖

3 自清潔射孔彈的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 使用區(qū)塊的儲(chǔ)層巖石和流體特性分析

油田位于中國(guó)南海珠江口盆地北部坳陷帶西南緣恩平凹陷南部隆起斷裂帶，主要油層位于韓江組，油層埋深-938.2～-1 569.3 m。儲(chǔ)層巖性以長(zhǎng)石石英細(xì)砂巖為主；砂巖成份主要為石英，以孔隙式膠結(jié)類型為主，固結(jié)性差，屬于疏松砂巖。屬于三角洲前緣沉積，儲(chǔ)層物性相對(duì)較好。測(cè)井解釋孔隙23.7%～33.7%，滲透率（130.3～1 243.1）×10-3μm2，屬于中～高孔隙度、中～高滲透率儲(chǔ)集層；泥質(zhì)含量10%～18%，含量較高。原油性質(zhì)較差，為高密度、高黏度和低含硫的重質(zhì)稠油，地面原油密度0.948～0.956 g/cm（320℃），地層原油黏度111.18～277.77 mPa·s。

該井為定向生產(chǎn)井，完鉆井深3 232 m，垂深1 235.6 m，水深95 m（平均海平面），如圖8所示，油藏高點(diǎn)埋深2 049～2 077m，韓江組；正常壓力系數(shù)（壓力梯度0.97 MPa/100 m）。

圖8 南海某井井身結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 自清潔射孔工藝設(shè)計(jì)及射孔器材選擇

1）自清潔射孔工藝設(shè)計(jì)。采用自清潔射孔技術(shù)+電纜動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔，P-T監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)地層GR 曲線進(jìn)行校深定位；電纜射孔管串：電纜頭GRCCL電纜點(diǎn)火頭射孔槍動(dòng)態(tài)負(fù)壓槍P-T 監(jiān)測(cè)儀。

2）射孔器材選擇。射孔參數(shù)選擇：①自清潔型射孔彈：最大限度的降低射孔壓實(shí)，提高射孔效果。②深穿型透彈：孔眼穩(wěn)定好，穿透污染帶，發(fā)揮油層本身的滲流能力。③較大孔徑型射孔彈：增大流通面積，減小壓降。

根據(jù)244.475 mm(95/8″)套管以及井溫，火工品采用常溫等級(jí)及以上火工品。射孔槍：選用177.8 mm(7″)射孔槍，40 孔/m，相位45°/135°。射孔彈：選用177.8 mm(7″)常溫自清潔射孔彈SDPR45RDX39-2，藥型RDX 裝藥量39 g；穿深1 384 mm，孔徑10.7 mm，耐溫120 ℃/48 h。導(dǎo)爆索：選用常溫導(dǎo)爆索（80RDX XHV）；0.26 谷/mm（80 谷/英 尺）；耐 溫120 ℃/48 h。

3.3 自清潔動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)應(yīng)用效果

在射孔段2 616～3 142.3 m，段內(nèi)分3層射孔，3趟電纜，共實(shí)射5.3 m，射孔參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 自清潔動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔參數(shù)表

以層位1為例，由圖9、圖10及表3可以看出，自清潔動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔負(fù)壓作用明顯。①射孔層位靜壓29.7 MPa，射孔彈爆轟最高壓力49.7 MPa，自清潔產(chǎn)生的微壓裂及清潔孔道最高壓力19.9 MPa，動(dòng)態(tài)負(fù)壓最低點(diǎn)壓力值9.7 MPa，最大負(fù)壓差18.2 MPa。②動(dòng)態(tài)負(fù)壓作用從射孔起爆后爆轟壓力達(dá)到最高峰值時(shí)間18 632 910 ms（5 h 10 min 32 s 910 ms）后3 ms（18 632 913 ms）開(kāi)始產(chǎn)生，符合動(dòng)態(tài)負(fù)壓做功的有效時(shí)間段（100 ms 以內(nèi)），動(dòng)態(tài)負(fù)壓持續(xù)時(shí)長(zhǎng)585 ms。③射孔彈爆轟最高點(diǎn)與自清潔射孔做功最高點(diǎn)時(shí)差31 ms。④溫度場(chǎng)變化情況：射孔后溫度從124.15 ℃升至125.35 ℃，后隨射孔槍上提而下降,持續(xù)時(shí)間250 s。

表3 層位1壓力溫度曲線數(shù)據(jù)分析表

圖9 層位1壓力-時(shí)間曲線

圖10 層位1溫度-時(shí)間曲線

3.4 曲線數(shù)據(jù)分析表

該技術(shù)成果在南海東部油井開(kāi)發(fā)射孔中首次應(yīng)用一舉成功。數(shù)據(jù)表明，自清潔射孔和動(dòng)態(tài)負(fù)壓作用明顯，該井自清潔產(chǎn)生的微壓裂及清潔孔道最高壓力19.9 MPa，動(dòng)態(tài)負(fù)壓最低點(diǎn)壓力值9.7 MPa，最大負(fù)壓差18.2 MPa，動(dòng)態(tài)負(fù)壓持續(xù)時(shí)長(zhǎng)585 ms。措施前日產(chǎn)液5 300 桶（1 桶=0.159 m3），含水91%，日產(chǎn)油470 桶；措施后日產(chǎn)液5 400 桶，含水85.5%，日產(chǎn)油787桶，作業(yè)效果明顯。

4 結(jié)論與建議

1）自清潔射孔技術(shù)的形成不依賴巖石類型的干凈的、開(kāi)放射孔孔道，每個(gè)射孔孔道進(jìn)行自己的清潔行動(dòng)，獨(dú)立于其他射孔，造成接近100%孔道清理并在油藏和井筒之間形成一個(gè)理想的通路。而動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)在射孔后數(shù)毫秒內(nèi)形成相對(duì)負(fù)壓，降低了井筒壓力，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)負(fù)壓差，從而形成快速?zèng)_擊回流，沖洗射孔孔道及壓實(shí)帶，消除射孔污染，作用時(shí)間長(zhǎng)。

2）“自清潔+動(dòng)態(tài)負(fù)壓”射孔工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)射孔孔道的二次抽吸，充分解除射孔壓實(shí)并清潔了彈道，解決了因射孔壓實(shí)傷害在總表皮的高負(fù)面權(quán)重問(wèn)題。

3）該工藝采用自清潔射孔彈，開(kāi)孔造負(fù)壓裝置，作業(yè)簡(jiǎn)捷、風(fēng)險(xiǎn)小，投入相對(duì)較小，提高油氣井產(chǎn)能效果好。

4）自清潔動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)在南海油田東部的成功應(yīng)用，為南海油田常壓儲(chǔ)層后續(xù)的射孔作業(yè)提供了數(shù)據(jù)支撐及技術(shù)儲(chǔ)備。