三级装药多脉冲射孔技术

董拥军,陈晓明,陈立雄,隋朝明,李斌,尚勇

(中国石油集团测井有限公司天津分公司,天津300280)

在油气田开发过程中,对于一些经济效益欠佳的薄互层、顶底水储层,常规射孔完井方式很难实现自然产能,如果采用压裂、酸化等措施对地层进行改造,会使经济效益和生产成本难以平衡[1]。从工程角度考虑,对顶底水储层实施压裂存在窜层的工程风险。在钻井、完井及井下作业等过程中,由于钻井液的侵入带、射孔的压实带、酸化和压裂改造等因素,使地层表皮系数发生改变,对产能影响较大。三级装药多脉冲射孔技术能够实现近井带一定范围内的地层改造,能够消除射孔的压实效应,地面试验破靶半径达2 m以上,是一种高效、低成本的射孔与火药压裂结合的技术,该技术最大程度实现了对非常规低孔隙度低渗透率致密储层的挖潜增效。

本文在常规复合射孔技术的基础上,利用射孔弹肩部和射孔弹之间的空间,在射孔枪内部实现了三级火药装药,增加了火药的级数和装药量,并通过不同燃速的火药级配,避免火药燃烧压力峰值叠加,增加火药有效作用时间。通过地面试验,验证了压力峰值和有效作用时间,检测了混凝土靶射孔性能和压裂造缝能力[2],并对三级装药多脉冲射孔管柱进行优化设计,使射孔更加安全可靠。

三级装药多脉冲射孔技术利用深穿透射孔弹和三级火药装药组合,实现了高能金属射流、高温高压气体对地层的复合作用。第一级火药位于射孔弹肩部,第二级火药位于射孔弹之间,第三级火药外挂在弹架外侧(见图1)。射孔施工时,射孔弹起爆产生爆轰波和金属射流,爆轰波依次引燃各级火药,产生高温高压气体。由于三级火药的燃速不同,火药燃烧产生的高压气体沿着已形成的射孔孔道对地层进行梯次压力脉冲作用,可以有效消除射孔压实带,提高射孔孔道周围导流能力,延长压力脉冲造缝作用时间,大幅度提高了火药能量对地层的做功效率,达到造缝、延缝效果,解除近井带污染,形成井筒周围裂缝网络,进而实现增产增注的目的。

图1 三级装药结构示意图

由于射孔枪内部的空间有限、火药的装药量有限、射孔枪有耐压限制,不能仅通过增加装药量实现射孔后地层造缝的目的,且相同燃速的火药不能产生压力脉冲叠加的作用效果。因此,需要控制不同级火药的燃烧速度和装药量,使压力脉冲反复作用于孔道和地层。通过利用高温氧化剂、能量调节剂和燃速调节剂实现火药的三级不同燃速。三级火药为射孔枪内置式装药,火药燃烧形成的压力峰值高,多级火药燃速有时间差,压力峰值不叠加,延长了压力的有效作用时间。本文设计的三级火药测试燃速分别为12.4、8.3和4.5 mm/s,有效保证了火药燃烧后形成不同梯次的压力峰值,延长了压力脉冲作用时间。相比于常规复合射孔器,三级装药多脉冲射孔器在能量大小、有效作用时间方面都得到了大幅提高。

模拟射孔器的装配方式,采用射孔弹分别装配一级装药、二级装药和三级装药,对不同装药类型的单发射孔弹进行地面测试试验,以测试射孔和火药产生的高能气体压力峰值和有效作用时间,试验参照《油气井用复合射孔器通用技术条件及检测方法》(SY/T 6824—2011)进行[3]。图2为地面测试装置示意图,表1为不同装药级数的地面测试试验数据。试验数据表明,最大压力峰值和有效作用时间与装药量呈正比关系,这在一定程度上反应了火药燃烧的性能特征。但在射孔器有限空间内,还要考虑射孔器起爆后的安全性,最大压力峰值过高会对射孔器和井内套管造成损伤。将最大压力峰值控制在一定范围内,延长对射孔孔道和地层的作用时间是提高射孔器起爆后安全性的关键。三级装药测试的最大压力峰值为54 MPa,有效作用时间为40 ms,最大压力峰值比一级、二级装药分别提高63.6%、17.4%,压力峰值在安全范围内;持续作用时间比一级、二级装药分别提高700%、60%,高能气体有效作用时间大幅延长,可以充分作用于射孔孔道和井筒近井带,达到造缝、延缝的效果。

图2 地面测试装置示意图

表1 不同装药级数的地面测试试验数据

为验证三级装药多脉冲射孔技术的安全性能及射孔效果,对三级装药多脉冲射孔器进行二级装药和三级装药地面混凝土靶射孔对比试验,分析两者射孔后的靶体情况,检验三级装药多脉冲射孔效果。混凝土靶的规格Φ 4.0 m×1.5 m,靶龄32 d,混凝土靶的强度分别为40.5 MPa和42.3 MPa,套管规格Φ 139.70 mm×7.72 m,钢级N-80。射孔枪型号102型,射孔弹型号SDP46HM X39。

从表2可以看出,三级装药多脉冲射孔器在二级装药、三级装药射孔后的各项指标符合行业的标准要求,不同装药级数的射孔器安全性都能满足作业要求,射孔器射孔后混凝土靶各项指标合格。三级装药多脉冲射孔器与二级装药多脉冲射孔器相比,三级装药多脉冲射孔后,破靶半径超过2 m,裂缝宽度由300 mm提高至400 mm,提高了33.3%;常规射孔打靶试验中,靶体只形成孔道和裂缝,未破靶形成位移;而三级装药多脉冲射孔后,靶体破裂并发生位移,说明三级装药多脉冲射孔器能够产生更为强大的气体压力冲击,造缝效果得到进一步提升。图3、图4分别为对三级装药多脉冲射孔器进行二级装药和三级装药射孔后地面混凝土靶的实物图。

表2 二、三级装药多脉冲射孔后地面混凝土靶试验数据

图3 二级装药射孔后的混凝土靶

图4 三级装药射孔后的混凝土靶

如表1所示,最大压力峰值和有效作用时间都显示三级装药的火药能量大。实际应用中,三级装药多脉冲射孔器在井下起爆瞬间比常规和复合射孔器能量更高。如果过高的能量没有得到合理控制,容易对套管及射孔管柱产生损伤,尤其是有封隔器的射孔完井管柱。由于封隔器受爆轰冲击和井内压力波共同作用,容易发生损伤失封或意外解封的事故[4],纵、横向减震装置能有效地减缓射孔爆轰对封隔器的冲击,是保护管柱安全的重要方法。

本文通过在三级装药多脉冲射孔器底部增加泄压装置(见图5)和套管压力控制装置(见图6),保证三级装药多脉冲射孔器和套管的作业安全。泄压装置内部由密封活塞、活塞固定铝帽、筛管、连接接头等组成,该装置能够有效泄放射孔器内部的异常高压,避免射孔器破裂。当射孔器内部压力过高时,射孔瞬间产生的高压气体推动活塞向下运动并打开传压通道,射孔器内部的高压气体通过筛管泄放,有效控制射孔器内部异常高压,保护射孔器射孔过程中的安全。同时,为了有效控制射孔后套管内的压力峰值,设计开发套管压力控制装置。射孔管柱入井前,设定销钉的压力剪切值;入井后射孔形成的爆轰压力达到设定的压力剪切值时,装置内部滑套向上运动,剪断销钉并开孔;开孔后在套管和装置内部形成通道,压力进入装置内部,降低套管内压力峰值,使压力峰值处在地层破裂压力和套管的额定工作压力之间。这样既能有效地对地层做功,又能保护井下套管[5-6]。

图5 泄压装置结构示意图

图6 套管压力控制装置结构示意图

三级装药多脉冲射孔技术已在大港油田低孔隙度低渗透率致密储层、山西煤层气非常规储层完成现场应用,射孔后效果显著。目前,射孔器配套系列以102、127型为主,可实现射孔孔密13～16孔/m、相位角60°和90°,根据地质、工程需求,可实现一、二、三级火药的模块化装配。

5.1 埕XX井应用实例

埕XX井是一口非常规低孔隙度低渗透率致密储层开发井,射孔段厚度10.0 m,射孔段顶部距离水层47.4 m,底部距离水层16.4 m。该区块同层邻井射孔后需要压裂措施改造,才能形成有效规模性开采。埕XX井射孔层位距离水层较近,考虑压裂容易联通水层的情况,通过射孔建立井筒与地层沟通孔道,实现近井带地层改造。该井前期采用常规射孔作业,选用102型常规深穿透射孔器,未装火药,射孔厚度10 m,射孔后产液能力差。在充分考虑射孔器、管柱、套管安全的前提下,采用三级装药多脉冲射孔技术进行补孔作业,选用102型三级装药多脉冲射孔器,在原有射孔层位的基础上,优化射孔厚度,选在层位中部距离顶部4.5 m处进行射孔,有效防止射孔层连通上、下水层;控制三级装药的总药量,三级火药按照1∶1∶2的比例装配,控制造缝纵向宽度。本井预测破裂压力58 MPa,套管压力控制装置剪切值设计为65 MPa,处在套管抗内压强度(70 MPa)的安全范围。

射孔管柱结构由下至上:89型枪尾+89型压力吸收枪(枪体长度3 m)+89型套管压力控制装置+102型泄压筛管(筛管长度0.5 m)+102型泄压装置+102型三级装药多脉冲射孔器+89型安全枪+投棒解锁安全起爆装置+筛管+油管。

埕XX井在原产液能力差的情况下,通过三级装药多脉冲射孔后,测试日产液37.4 m3,日产油25.9 m3,达到预期产能。同时,射孔后没有连通上、下部的水层,保障了产量,施工周期短、成本低。

5.2 大吉XX井应用实例

大吉XX井是一口非常规煤层气储层定向井,邻井及该井前期进行了盐酸体积酸压作业,酸液在近井带反应过快,无法作用到裂缝的中远端,近井带过度改造,导致近井带裂缝复杂。针对以上情况,设计三级装药多脉冲射孔方案,利用射孔金属射流在穿孔的同时引燃三级装药,推动井内的液体沿射孔孔道造缝、延缝,为增加后期压裂效果创造有利条件,提供更大进液空间,避免砂堵风险。大吉XX井射孔作业选用102型三级装药多脉冲射孔器,该射孔器孔密为10孔/m、相位角为60°、耐压为105 MPa,射孔段为2 251.4～2 256.4 m,射孔厚度为5 m。该井套管抗内压强度63.4 MPa,参考本井前期压裂施工的最大破裂压力55 MPa,套管压力控制装置剪切值设计60 MPa。

射孔管柱结构由下至上:102型枪尾+102型压力吸收枪(枪体长度2 m)+102型套管压力控制装置+102型泄压筛管(筛管长度1 m)+102型泄压装置+三级装药多脉冲射孔器(射孔段5 m)+安全枪+投棒解锁安全起爆装置+筛管+油管。

大吉XX井前期在常规射孔后压裂作业过程中,裂缝难以向井筒远端延展,支撑剂未能沿裂缝走向远端作用,造成井筒近端形成裂缝网络[7],压裂效果较差。采用三级装药多脉冲射孔后,在未压裂情况下测试产气情况,火焰高度达2 m,初期产气效果明显,说明建立了良好的裂缝产出通道。后续压裂作业中,加砂情况正常,未出现前期作业的异常情况,产气量增加20%。

(1)三级装药多脉冲射孔技术能够实现一次下井完成聚能射孔和三次火药压裂。射孔作业时,射孔弹起爆后产生爆轰波和金属射流,爆轰波梯次引燃各级火药,产生高温高压高能气体;三级火药的燃速不同,沿着已形成的射孔孔道对地层进行梯次压力脉冲作用,可以有效消除射孔压实带,提高射孔孔道周围渗流能力。

(2)三级装药多脉冲射孔技术可以对近井带储层进行改造,降低射孔压实效应。在低孔隙度低渗透率储层、薄互层、顶底水储层,可以通过三级火药多级脉冲做功,延长有效作用时间,大幅度提高了火药能量对地层的做功效率,达到造缝、延缝效果。