復(fù)合射孔技術(shù)在淺層氣防砂中的應(yīng)用

姬洪剛(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司工程技術(shù)作業(yè)中心，天津 300452)

1 復(fù)合射孔防砂技術(shù)的提出

根據(jù)我國(guó)石油開采的工作需要，傳統(tǒng)的防砂技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前油田開采的防砂需求，并且由于傳統(tǒng)的化學(xué)防砂技術(shù)和機(jī)械防砂技術(shù)對(duì)油田開采的防砂工藝投資較大，回報(bào)率較低，不符合現(xiàn)代化油田開采防砂需要。淺層氣地址特點(diǎn)各不相同，通常情況下，這種傳統(tǒng)的防砂工藝首先射孔再進(jìn)行防砂施工，這種防砂效果比較受限，加大了防砂工作的投資，且回報(bào)率無(wú)法成正比，在長(zhǎng)期的防砂工作中，無(wú)法成為常態(tài)化的防砂工作需要。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的防砂技術(shù)針對(duì)膠結(jié)物接觸性能較差，同時(shí)以泥質(zhì)為主的膠結(jié)物，膠結(jié)疏松，成巖性相對(duì)較差，使得油田開采過(guò)程中出砂比較嚴(yán)重，甚至生產(chǎn)周期比較短，無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)出，采出程度比較差[1]。因此，為了更好地適應(yīng)油田開采防砂工作，復(fù)合射孔技術(shù)就被提上研究層面進(jìn)行分析，借助防砂和射孔的工藝原理，有機(jī)結(jié)合在一起，這種技術(shù)與傳統(tǒng)防砂技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)相對(duì)明顯，能夠完成一次性防砂工作。同時(shí)，由于這種防砂技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、投資較小、節(jié)省資源、防砂效果突出等特征的同時(shí)存在，復(fù)合射孔技術(shù)在淺層氣防砂應(yīng)用中營(yíng)運(yùn)而生。

2 復(fù)合射孔防砂技術(shù)的工藝原理

復(fù)合射孔防砂技術(shù)是利用復(fù)合射孔彈在對(duì)套管射孔過(guò)程中，將射孔與防砂作業(yè)同時(shí)完成。其主要的工藝原理是將防砂材料填入到復(fù)合射彈孔的過(guò)程中，其復(fù)合射彈孔做密封處理工作，通過(guò)密封處理，當(dāng)聚能射孔彈被引爆后，所產(chǎn)生的高溫和高壓快速穿透套管，穿過(guò)油層，形成了等同直徑孔眼形狀的射孔，當(dāng)射孔彈起爆并發(fā)射后，所產(chǎn)生的溫度非常高，并且溫度上升速度極快，導(dǎo)致在射孔彈發(fā)射的路徑上產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)[2]。當(dāng)射孔彈被起爆發(fā)射到套管的底部時(shí)，就會(huì)以高速、高壓的形式撞擊巖層，從而使裝入射孔彈內(nèi)的易燃易爆物品產(chǎn)生爆炸，通過(guò)這種方式，可以將防砂材料從射孔彈孔眼形狀之中噴出，從而就產(chǎn)生了一道具有致密性的防砂層，以此來(lái)達(dá)到防止油井出沙的目的。

復(fù)合射孔彈防砂技術(shù)的實(shí)際操作，主要由以下部分組成：一是射孔彈射孔，顧名思義就是采用現(xiàn)代化技術(shù)，在油田中射出比較理想化的孔道；二是通過(guò)使用火藥，在符合射孔孔道內(nèi)點(diǎn)火，形成高壓，迫使孔道壓開壓實(shí)層和污染層，這樣做的目的是在油層和井筒之間建立渠道，以達(dá)到清堵和壓裂的目的；三是通過(guò)火藥的助推作用，將防砂材料射入由孔彈打出的孔道之中，最終形成防砂作用；四是當(dāng)射孔彈內(nèi)的火藥燃燒結(jié)束后，孔道和井孔壓力會(huì)降低，油層不斷收縮回填孔道，壓實(shí)防砂塞，形成具有的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，完成防砂工作。

3 復(fù)合射孔彈物理研究

3.1 復(fù)合射孔彈技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

復(fù)合射孔彈相比較于傳統(tǒng)的化學(xué)防砂和機(jī)械防砂工藝而言，具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，主要集中在以下兩個(gè)方面：一是針對(duì)施工油井的不同情況，可以選擇很多種射孔段，這樣可以幫助相關(guān)工作技術(shù)人員能夠控制油井的氣、油和水的流量。舉個(gè)例子，當(dāng)工作人員遇到油田稠油區(qū)塊時(shí)，利用射孔彈的分層增注增產(chǎn)效果，這樣的施工效果是保護(hù)射孔防砂的最好作業(yè)方式。二是復(fù)合射孔彈防砂技術(shù)操作簡(jiǎn)單，防砂的時(shí)間比較長(zhǎng)，在傳統(tǒng)的化學(xué)防砂和機(jī)械防砂措施中，雖然能起到一定的防砂效果，但油田的開采時(shí)間比較長(zhǎng)，容易導(dǎo)致出砂問(wèn)題的反復(fù)性出現(xiàn)，不利于作業(yè)人員的順利開展工作[3]。但復(fù)合射孔彈的出現(xiàn)，延長(zhǎng)了作業(yè)時(shí)間，防止出砂問(wèn)題困擾生產(chǎn)，同時(shí)能夠防止井壁坍塌，提高工作效率。

3.2 射孔彈防砂材料設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的化學(xué)防砂和機(jī)械防砂，通常是獨(dú)立運(yùn)行工作，但射孔彈防砂效果，基本需要借助在復(fù)合射孔彈內(nèi)部的防砂材料，針對(duì)這種情況，如何選擇所需的防砂材料，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)。想要做好油田防砂工作，必須在射孔彈內(nèi)裝入足夠多的防砂材料，這樣做的目的是一次性將所需防砂材料噴出，避免防砂材料的不足，導(dǎo)致工作效率低下。同時(shí)，還得保證所選擇的防砂材料在射孔彈中均勻分布，避免在射孔彈內(nèi)出現(xiàn)空氣或材料沉淀現(xiàn)象的發(fā)生，這樣做的目的是防止在射孔彈引爆后無(wú)法形成防砂層，避免浪費(fèi)資源。這種高溫度和高氣壓對(duì)于射孔彈的質(zhì)量要求極高，必須保證管柱及管套的質(zhì)量滿足爆炸要求，才能對(duì)射孔技術(shù)產(chǎn)生明顯效果。

3.3 復(fù)合射孔彈理論和結(jié)果研究

經(jīng)過(guò)相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究，并借助計(jì)算機(jī)模擬軟件實(shí)驗(yàn)計(jì)算，得出射孔彈射流頭部的速度數(shù)據(jù)為6 729 m/s，碰撞時(shí)的物理強(qiáng)度50 MPa時(shí)，射流臨界速度達(dá)到1 043 m/s，而從碰撞剛好接觸到射孔彈噴射時(shí)間為80～150 ms，根基理論計(jì)算，復(fù)合射孔彈的封堵塞在到達(dá)前倉(cāng)的底部時(shí)間通常為60～100 μs。通過(guò)上述數(shù)據(jù)的分析，建立動(dòng)畫模擬實(shí)驗(yàn)，可以清晰的看見整個(gè)防砂工作的流程，對(duì)于今后的工作設(shè)計(jì)和作業(yè)人員的工作開展都具有較強(qiáng)的借鑒價(jià)值和參考意義。

4 復(fù)合射孔室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究

復(fù)合射孔室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究可分為單發(fā)模擬試驗(yàn)和整槍模擬試驗(yàn)。單發(fā)模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要目的是制造出類似于射孔槍的封閉體系，利用這個(gè)體系，使復(fù)合射孔器在這個(gè)體系中作業(yè)，從而得到模擬射槍內(nèi)的實(shí)際過(guò)程。這個(gè)試驗(yàn)在射孔彈爆炸的瞬間，射孔槍內(nèi)的溫度急劇上升，槍內(nèi)的壓力也在升高，在這個(gè)有限的空間內(nèi)，溫度和壓力直接推進(jìn)了防砂材料，待射孔打出通道后，槍內(nèi)的溫度和壓力就逐漸降低，形成與外界平衡的狀態(tài)，這種模擬試驗(yàn)對(duì)性能的反映只是單發(fā)性，比較適合做機(jī)理性研究。而整槍模擬試驗(yàn)是滿足井下的多發(fā)彈裝在一支槍的需求，同時(shí)，由于槍內(nèi)多發(fā)彈的連續(xù)引爆，導(dǎo)致槍內(nèi)壓力變化較大，從而影響防砂材料的輸送，甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的彈內(nèi)干擾，針對(duì)這種現(xiàn)象，采用整槍模擬試驗(yàn)是一種滿足技術(shù)需求的技術(shù)需要，而經(jīng)過(guò)行業(yè)領(lǐng)域的多次研究和技術(shù)調(diào)整，對(duì)彈內(nèi)干擾的問(wèn)題得到徹底解決，從而使得試驗(yàn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和指標(biāo)均與單發(fā)性實(shí)驗(yàn)相同，使得整槍模擬試驗(yàn)得到實(shí)際應(yīng)用，在無(wú)法采用單發(fā)試驗(yàn)應(yīng)用的時(shí)候，對(duì)于整槍試驗(yàn)的應(yīng)用就顯得極為重要[4]。

通過(guò)室內(nèi)設(shè)計(jì)，建立一種類似于這種工作方式的模擬流程，形成一個(gè)封閉的實(shí)驗(yàn)體系，在這種體系中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，開展虛擬的作業(yè)環(huán)節(jié)，然后模擬射孔彈在設(shè)計(jì)工作中的整體過(guò)程。通過(guò)這個(gè)模擬系統(tǒng)，嘗試模擬射孔彈在爆炸的瞬間，系統(tǒng)里面的壓力和溫度極速上升的過(guò)程，以此方式進(jìn)行防砂材料的選擇和分布，并分析這個(gè)壓力和溫度對(duì)防砂材料推進(jìn)速度的影響[5]。隨著射孔彈模擬射孔的作業(yè)進(jìn)一步深入，爆炸后形成的金屬射流，穿過(guò)槍壁套管和水泥環(huán)，從而模擬出在地層中打孔實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

由于化學(xué)防砂技術(shù)和機(jī)械防砂技術(shù)在油田開采過(guò)程中，存在著諸多不利于防砂的技術(shù)需要，嚴(yán)重制約了油田的開采。同時(shí)，這兩種技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)跟不上社會(huì)發(fā)展的需要，針對(duì)這種現(xiàn)象，復(fù)合射孔防砂技術(shù)不斷被提出來(lái)進(jìn)行研究。在傳統(tǒng)防砂技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)的多維模擬實(shí)驗(yàn)，分析復(fù)合射孔防砂技術(shù)的應(yīng)用前景和價(jià)值，開發(fā)出具有防砂效果好，投入資金相對(duì)少于傳統(tǒng)防砂技術(shù)，甚至結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單的復(fù)合射孔防砂技術(shù)。在國(guó)內(nèi)外油田開采過(guò)程中，油井出砂是一個(gè)普遍的問(wèn)題，在這種環(huán)境下，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合射孔防砂技術(shù)防砂工序比較簡(jiǎn)單方便、防砂效果好、對(duì)地層的損傷比較小和投入資金小等優(yōu)點(diǎn)，使得復(fù)合射孔防砂技術(shù)被逐漸重視并推廣應(yīng)用。實(shí)際上，復(fù)合射孔防砂技術(shù)是油田防砂領(lǐng)域的一種改革，在傳統(tǒng)防砂技術(shù)基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，徹底擺脫對(duì)傳統(tǒng)防砂技術(shù)的依賴，以此來(lái)減少資源的浪費(fèi)和成本節(jié)約，促進(jìn)防砂技術(shù)跟得上社會(huì)發(fā)展的需要，滿足油田開采防砂技術(shù)的需求，而復(fù)合射孔防砂技術(shù)的發(fā)明，提高了油田開采的質(zhì)量，為淺層氣防砂提供了先進(jìn)和高效的防砂技術(shù)。這種防砂技術(shù)的應(yīng)用，是一種基于傳統(tǒng)防砂技術(shù)的突破，針對(duì)復(fù)合射孔防砂技術(shù)，其理論基礎(chǔ)相對(duì)扎實(shí)，設(shè)計(jì)出來(lái)的技術(shù)特點(diǎn)也比較可靠，試驗(yàn)的設(shè)計(jì)具有可操作性，工藝施工流程比較簡(jiǎn)單。同時(shí)，針對(duì)后期的開采作業(yè)比較方便，對(duì)地層的損傷也比較小，防砂效果也優(yōu)于傳統(tǒng)化學(xué)防砂和機(jī)械防砂，是油田防砂技術(shù)發(fā)展的新途徑。