不同強(qiáng)度致密砂巖對(duì)射孔彈穿深的影響

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(chǔ)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(duì)非致密砂巖靶進(jìn)行了射孔彈性能評(píng)價(jià),所用砂巖靶孔隙度分布范圍為12%～22%,對(duì)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(duì)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(duì)象主要以非致密砂巖為主。

上述研究工作對(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(chǔ)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(gè)性化定制設(shè)計(jì)提供方向,同時(shí)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(cè)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(cè)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(cè)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(hào)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(cè)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(duì)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(shì),該結(jié)論與國(guó)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(shì)。

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(duì)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(duì)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(duì)比圖見圖7。

圖7 89型射孔彈在有無(wú)圍壓條件下的穿深對(duì)比圖

通過(guò)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(wú)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(duì)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(duì)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(duì)穿深的影響

砂巖顆粒對(duì)穿孔深度的影響主要為砂巖粒度、顆粒硬度2個(gè)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(guò)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(shì)。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(duì)穿孔深度影響較大。

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

2.4 孔隙度對(duì)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(hào)射孔彈在不同致密砂巖靶孔隙度條件下的穿孔深度對(duì)比(見表6)。

表6 孔隙度對(duì)2種型號(hào)射孔彈穿孔深度的對(duì)比

從表6可知,孔隙度相差越大,對(duì)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(shí)穿深上更具優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

(1)在無(wú)圍壓約束條件下,同種射孔彈對(duì)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(huì)對(duì)靶體的穿深有影響,因此,從試驗(yàn)得出的抗壓強(qiáng)度對(duì)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(duì)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(duì)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(chǔ)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(duì)致密砂巖儲(chǔ)層射孔。