超长层段水平井射孔补偿式传爆及防卡技术

2014-12-03姚志中赵开良张锋王培禹焦建国魏鲲鹏

测井技术 2014年1期

关键词：孔眼弹壳相位角

姚志中，赵开良，张锋，王培禹，焦建国，魏鲲鹏

（1.中原油田地球物理测井公司，河南濮阳457001；2.西安物华巨能爆破器材有限责任公司，陕西西安710061；3.中原油田分公司采油工程技术研究院，河南濮阳457001）

0 引言

水平井大都需要采用油管输送射孔方式沟通地层和套管。对于超长层段的水平井射孔，3种因素造成射孔枪传爆失败和射孔管柱遇卡的风险显著提高。

（1）对超长层段油气井实施油管输送射孔，一次下井射孔枪有一百多支甚至数百支。由于多种因素影响，射孔枪传爆可靠性较低，加之水平井要求定向射孔，射孔枪装配完后，固弹架在枪管内一直处于自由旋转状态，增大了射孔枪传爆失败的风险。

（2）水平井射孔枪为满足自动定向要求，无法与常规射孔枪一样预制掩埋射孔毛刺的盲孔，于是射孔后枪管外的孔眼毛刺高，特别是水平井射孔枪是“平躺”在水平套管内，孔眼毛刺与套管孔眼镶嵌的概率大，容易造成射孔后枪身遇卡。

（3）由于套管是水平方向，射孔后枪内残渣和地层内碎屑排泄到套管与射孔枪的环形空间内，容易造成碎屑堆积，加大了射孔枪遇卡的风险。

本文在现有水平井射孔技术基础上，结合普光气田大湾区块的地质特点，研究应用补偿式传爆技术和水平井射孔枪低摩擦阻力防卡技术，取得了显著的效果。

1 补偿式传爆技术

1.1 隔板增能器结构原理

隔板增能器是补偿式传爆技术的核心部件，它主要由隔板本体、复合装药、安全护帽和密封圈等4部分组成。隔板本体用金属加工成对称的“H”形状，两端的装药盲孔设计成漏斗状，在2个盲孔内对称装药，均装填由起爆药和猛炸药组成的复合装药。复合装药表面是安全护帽，防止装配时对火工组件形成直接碰撞。隔板增能器结构见图1。

图1 隔板增能器结构示意图

由于隔板增能器设计为对称结构，所以它具有双向传爆功能。任意一端接受射孔枪中的传爆管传递过来的爆轰波时，该端的装药即被起爆，产生强冲击波，并作用在隔板上，冲击波经隔板起爆另一端的装药，该端装药定向爆炸（类似射孔弹），产生爆轰波并传递给下一支射孔枪中的传爆管，从而完成隔板的传爆功能。由于其装药密度较一般双向传爆管小，隔板的起爆感度得到了提高，同时，隔板对输出爆轰波有强力约束作用，输出能力也得到了较大提高。由于它兼备了起爆感度高和输出能力强等双重特性，因此提高了传爆的可靠性，表现为空气传爆距离的增加和将准低爆速的爆轰波转化为正常爆轰波的能力。既能可靠传爆又能可靠密封的隔板厚度，漏斗状的盲孔减轻了爆轰波对隔板的破坏，使得隔板增能器在传爆前后都具有较高的密封性能。

1.2 补偿式传爆枪串结构

补偿式传爆射孔枪串结构和常规的射孔枪串主要区别是在每个传爆接头内上下传爆管的中间安装一套隔板增能器，在射孔枪串的两端各安装一套起爆器和延时装置，即采用双向延时起爆。补偿式传爆枪串结构见图2，隔板增能器在传爆接头中工作位置见图3。

图2 补偿式传爆枪串结构示意图

图3 隔板增能器在传爆接头中工作位置示意图

导爆索的正常爆速是5 000～8 000m／s，足以引爆射孔弹，但由于多种因素影响，它的爆速有时会降至5 000m／s以下甚至燃烧，这种情况下就不能正常引爆射孔弹，而且不能将爆轰波正常传递给下一级射孔枪，造成传爆中断或炸枪。射孔枪串采用补偿式传爆结构，可以有效解决这一问题。它的技术原理是井口加压使上下起爆器同时起爆，延时时间较短的延时装置（一般安装在枪串上端）引爆与其相联的传爆序列，如果导爆索爆速降低，传爆接头内的隔板增能器受到爆轰波冲击时，它能可靠起爆并将低爆速爆轰波提升至正常爆速；万一传爆中断，隔板增能器对未引爆的射孔枪进行密封，防止井液进入未引爆的射孔枪，延时时间较长的延时装置继续从射孔枪串的另一端反向引爆未爆射孔枪，从而保证整串射孔枪全部引爆。隔板增能器和双向延时起爆配套使用，可以达到爆速提升、低爆速传爆、未爆射孔枪反向引爆三重补偿效果。

2 水平井射孔枪低摩阻防卡技术

2.1 最高孔密设计

大弯区块大厚层储层物性差异大，为达到酸压时各类储层均匀布酸的目的，根据射孔优化设计结果，不同类型储层射孔密度应不同，Ⅲ类储层射孔密度应大于20孔／m。由于射孔枪空间的限制，高孔密射孔必然以减小射孔弹尺寸即牺牲穿深为代价，目前适用于102射孔枪的高指标射孔弹有DP40HMX和DP44HMX（小1m弹）2种型号。DP40HMX射孔弹在API混凝土靶上穿深720mm左右（在45号钢靶上穿深180mm左右），弹壳外径46～48mm。虽然可以实现在长度1 000mm空间内安装20发射孔弹，但射孔弹外壳间距低于5mm，加之弹壳壁厚较薄，弹间干扰加剧，影响穿深和孔道质量［1］。某种DP40HMX射孔弹在20孔／m和16孔／m情况下（90°相位角）打靶结果对照见表1。

从表1可见，DP40HMX射孔弹在20孔／m情况下穿深严重下降，而且孔眼方向偏离，孔眼不规则，毛刺高度增大，达到5mm左右，枪身膨胀明显，外径胀大5～10mm；而它在16孔／m情况下打靶穿深数据稳定，孔眼规则，毛刺高度2～3mm，枪身膨胀2～4mm。这说明DP40HMX射孔弹在20孔／m情况下弹间干扰严重。DP44HMX射孔弹壳体外径达到52mm，抗弹间干扰能力强，按16孔／m装配，弹间距还有10.5mm，根据理论计算和实验结果，基本避免了弹间干扰的影响。

综合以上分析，为提高穿深，降低射孔枪上提摩擦阻力和被卡的风险，102水平井射孔枪装配1m弹时最高密度为16孔／m。

表1 某种DP40HMX射孔弹在20孔／m和16孔／m情况下打靶结果对照表

2.2 相位角设计

对于胶结不太好的砂岩地层水平井射孔，为防止地层出砂等情况，一般要求定向射孔。对于致密的碳酸盐岩地层，如果不存在边水（底水）锥进，均匀螺旋布孔比较有利于获取较好的地质效果，但这种布孔方式会出现一部分孔眼方向垂直朝下或接近垂直朝下，孔眼毛刺和套管上孔眼镶嵌的概率大，从射孔枪内流出的射孔碎屑多，造成射孔枪上提摩擦阻力高甚至射孔枪被卡。

大弯气田碳酸盐岩超长井段射孔，为消除以上2项射孔枪被卡的隐患，采取定向射孔，将射孔相位角设计为上相位120°，交错布孔（见图4）。如此设计有3个优点。

（1）由于重力作用，射孔碎屑不容易从射孔枪内排出，减少了套管内碎屑堆积。

（2）套管上孔眼位置相对较高，即使套管孔眼上存在内毛刺，也不致于和射孔枪孔眼毛刺擦挂。

（3）水平井射孔时，相位角对地质效果的影响较小。安永生等［2］研究结论给出低孔密射孔时（孔密小于15孔／m），180°相位角产量最高，优于45°和90°相位角，由此可以推论，大弯气田射孔密度8～16孔／m，120°相位角比较有利于提高地质效果。

图4 射孔孔眼相位示意图

2.3 低碎屑射孔弹

射孔弹在穿孔作用的同时，弹壳在炸药爆轰的强大压强（约2GPa）作用下破裂为0.5～15mm的碎片。在水平井射孔时，因为射孔枪处于水平状态，这种小直径的弹壳碎片容易通过射孔枪上直径12mm左右的射孔孔眼排到套管内，在套管和射孔枪的环形空间堆积，引起射孔管柱上提摩擦阻力增高，甚至射孔管柱被卡，弹壳碎片也为下一步措施带来不便和安全隐患。

低碎屑射孔弹弹壳采用20号钢，相对常规射孔弹弹壳材料45号钢的延伸率和断面收缩率均提高近40%，有利于延缓碎片的形成；借鉴军用手榴弹壳体表面增设网状预置槽，在手榴弹爆炸时壳体会沿着预置槽方向破碎成若干个预定的碎片这一设计，在射孔弹壳内腔轴向方向设置4条预置槽，弹壳碎片中的大片明显增加，较小直径的碎片明显减少。低碎屑弹和小1m弹打靶数据比较见表2。

表2中可以看出，低碎屑射孔弹相对小1m弹穿孔深度降低了3.7%，但大于8mm×8mm碎片的比例由47.4%提高到82.1%。

3 现场应用效果

2011年12 月至2012年2月，对普光气田大弯区块大弯402－1H井等4口水平井进行了射孔施工，使用外径102mm抗硫化氢射孔枪，DP40－3低碎屑射孔弹，相位角30°、120°朝上，孔密6～16孔／m，单井最大射孔枪长度1 215.5m，最大射孔厚度941.8m，采用双向双效多级延时起爆和补偿式传爆技术，每3支射孔枪使用1套增能器。射孔一次成功率100%，射孔弹发射率100%（见表3）。