三級裝藥多脈沖射孔技術(shù)

董擁軍,陳曉明,陳立雄,隋朝明,李斌,尚勇

(中國石油集團(tuán)測井有限公司天津分公司,天津300280)

0 引 言

在油氣田開發(fā)過程中,對于一些經(jīng)濟(jì)效益欠佳的薄互層、頂?shù)姿畠?常規(guī)射孔完井方式很難實現(xiàn)自然產(chǎn)能,如果采用壓裂、酸化等措施對地層進(jìn)行改造,會使經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)成本難以平衡[1]。從工程角度考慮,對頂?shù)姿畠訉嵤毫汛嬖诟Z層的工程風(fēng)險。在鉆井、完井及井下作業(yè)等過程中,由于鉆井液的侵入帶、射孔的壓實帶、酸化和壓裂改造等因素,使地層表皮系數(shù)發(fā)生改變,對產(chǎn)能影響較大。三級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效應(yīng),地面試驗破靶半徑達(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)最大程度實現(xiàn)了對非常規(guī)低孔隙度低滲透率致密儲層的挖潛增效。

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)部實現(xiàn)了三級火藥裝藥,增加了火藥的級數(shù)和裝藥量,并通過不同燃速的火藥級配,避免火藥燃燒壓力峰值疊加,增加火藥有效作用時間。通過地面試驗,驗證了壓力峰值和有效作用時間,檢測了混凝土靶射孔性能和壓裂造縫能力[2],并對三級裝藥多脈沖射孔管柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,使射孔更加安全可靠。

1 技術(shù)原理

三級裝藥多脈沖射孔技術(shù)利用深穿透射孔彈和三級火藥裝藥組合,實現(xiàn)了高能金屬射流、高溫高壓氣體對地層的復(fù)合作用。第一級火藥位于射孔彈肩部,第二級火藥位于射孔彈之間,第三級火藥外掛在彈架外側(cè)(見圖1)。射孔施工時,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火藥,產(chǎn)生高溫高壓氣體。由于三級火藥的燃速不同,火藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體沿著已形成的射孔孔道對地層進(jìn)行梯次壓力脈沖作用,可以有效消除射孔壓實帶,提高射孔孔道周圍導(dǎo)流能力,延長壓力脈沖造縫作用時間,大幅度提高了火藥能量對地層的做功效率,達(dá)到造縫、延縫效果,解除近井帶污染,形成井筒周圍裂縫網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而實現(xiàn)增產(chǎn)增注的目的。

圖1 三級裝藥結(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,不能僅通過增加裝藥量實現(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。通過利用高溫氧化劑、能量調(diào)節(jié)劑和燃速調(diào)節(jié)劑實現(xiàn)火藥的三級不同燃速。三級火藥為射孔槍內(nèi)置式裝藥,火藥燃燒形成的壓力峰值高,多級火藥燃速有時間差,壓力峰值不疊加,延長了壓力的有效作用時間。本文設(shè)計的三級火藥測試燃速分別為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,延長了壓力脈沖作用時間。相比于常規(guī)復(fù)合射孔器,三級裝藥多脈沖射孔器在能量大小、有效作用時間方面都得到了大幅提高。

2 三級裝藥單發(fā)射孔彈地面測試

模擬射孔器的裝配方式,采用射孔彈分別裝配一級裝藥、二級裝藥和三級裝藥,對不同裝藥類型的單發(fā)射孔彈進(jìn)行地面測試試驗,以測試射孔和火藥產(chǎn)生的高能氣體壓力峰值和有效作用時間,試驗參照《油氣井用復(fù)合射孔器通用技術(shù)條件及檢測方法》(SY/T 6824—2011)進(jìn)行[3]。圖2為地面測試裝置示意圖,表1為不同裝藥級數(shù)的地面測試試驗數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)表明,最大壓力峰值和有效作用時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,最大壓力峰值過高會對射孔器和井內(nèi)套管造成損傷。將最大壓力峰值控制在一定范圍內(nèi),延長對射孔孔道和地層的作用時間是提高射孔器起爆后安全性的關(guān)鍵。三級裝藥測試的最大壓力峰值為54 MPa,有效作用時間為40 ms,最大壓力峰值比一級、二級裝藥分別提高63.6%、17.4%,壓力峰值在安全范圍內(nèi);持續(xù)作用時間比一級、二級裝藥分別提高700%、60%,高能氣體有效作用時間大幅延長,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 地面測試裝置示意圖

表1 不同裝藥級數(shù)的地面測試試驗數(shù)據(jù)

3 地面混凝土靶射孔性能試驗

為驗證三級裝藥多脈沖射孔技術(shù)的安全性能及射孔效果,對三級裝藥多脈沖射孔器進(jìn)行二級裝藥和三級裝藥地面混凝土靶射孔對比試驗,分析兩者射孔后的靶體情況,檢驗三級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N-80。射孔槍型號102型,射孔彈型號SDP46HM X39。

從表2可以看出,三級裝藥多脈沖射孔器在二級裝藥、三級裝藥射孔后的各項指標(biāo)符合行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求,不同裝藥級數(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指標(biāo)合格。三級裝藥多脈沖射孔器與二級裝藥多脈沖射孔器相比,三級裝藥多脈沖射孔后,破靶半徑超過2 m,裂縫寬度由300 mm提高至400 mm,提高了33.3%;常規(guī)射孔打靶試驗中,靶體只形成孔道和裂縫,未破靶形成位移;而三級裝藥多脈沖射孔后,靶體破裂并發(fā)生位移,說明三級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分別為對三級裝藥多脈沖射孔器進(jìn)行二級裝藥和三級裝藥射孔后地面混凝土靶的實物圖。

表2 二、三級裝藥多脈沖射孔后地面混凝土靶試驗數(shù)據(jù)

圖3 二級裝藥射孔后的混凝土靶

圖4 三級裝藥射孔后的混凝土靶

4 三級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間都顯示三級裝藥的火藥能量大。實際應(yīng)用中,三級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。如果過高的能量沒有得到合理控制,容易對套管及射孔管柱產(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封隔器的沖擊,是保護(hù)管柱安全的重要方法。

本文通過在三級裝藥多脈沖射孔器底部增加泄壓裝置(見圖5)和套管壓力控制裝置(見圖6),保證三級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)部壓力過高時,射孔瞬間產(chǎn)生的高壓氣體推動活塞向下運動并打開傳壓通道,射孔器內(nèi)部的高壓氣體通過篩管泄放,有效控制射孔器內(nèi)部異常高壓,保護(hù)射孔器射孔過程中的安全。同時,為了有效控制射孔后套管內(nèi)的壓力峰值,設(shè)計開發(fā)套管壓力控制裝置。射孔管柱入井前,設(shè)定銷釘?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,裝置內(nèi)部滑套向上運動,剪斷銷釘并開孔;開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)場應(yīng)用

三級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層、山西煤層氣非常規(guī)儲層完成現(xiàn)場應(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,可實現(xiàn)一、二、三級火藥的模塊化裝配。

5.1 埕XX井應(yīng)用實例

埕XX井是一口非常規(guī)低孔隙度低滲透率致密儲層開發(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,通過射孔建立井筒與地層溝通孔道,實現(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;控制三級裝藥的總藥量,三級火藥按照1∶1∶2的比例裝配,控制造縫縱向?qū)挾?。本井預(yù)測破裂壓力58 MPa,套管壓力控制裝置剪切值設(shè)計為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(槍體長度3 m)+89型套管壓力控制裝置+102型泄壓篩管(篩管長度0.5 m)+102型泄壓裝置+102型三級裝藥多脈沖射孔器+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,通過三級裝藥多脈沖射孔后,測試日產(chǎn)液37.4 m3,日產(chǎn)油25.9 m3,達(dá)到預(yù)期產(chǎn)能。同時,射孔后沒有連通上、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)用實例

大吉XX井是一口非常規(guī)煤層氣儲層定向井,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)過快,無法作用到裂縫的中遠(yuǎn)端,近井帶過度改造,導(dǎo)致近井帶裂縫復(fù)雜。針對以上情況,設(shè)計三級裝藥多脈沖射孔方案,利用射孔金屬射流在穿孔的同時引燃三級裝藥,推動井內(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。大吉XX井射孔作業(yè)選用102型三級裝藥多脈沖射孔器,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(槍體長度2 m)+102型套管壓力控制裝置+102型泄壓篩管(篩管長度1 m)+102型泄壓裝置+三級裝藥多脈沖射孔器(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。采用三級裝藥多脈沖射孔后,在未壓裂情況下測試產(chǎn)氣情況,火焰高度達(dá)2 m,初期產(chǎn)氣效果明顯,說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

(1)三級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,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火藥,產(chǎn)生高溫高壓高能氣體;三級火藥的燃速不同,沿著已形成的射孔孔道對地層進(jìn)行梯次壓力脈沖作用,可以有效消除射孔壓實帶,提高射孔孔道周圍滲流能力。

(2)三級裝藥多脈沖射孔技術(shù)可以對近井帶儲層進(jìn)行改造,降低射孔壓實效應(yīng)。在低孔隙度低滲透率儲層、薄互層、頂?shù)姿畠?可以通過三級火藥多級脈沖做功,延長有效作用時間,大幅度提高了火藥能量對地層的做功效率,達(dá)到造縫、延縫效果。