郭红军, 王宝兴, 汪长栓, 石健, 谢骊航, 杨晓林

(北方斯伦贝谢油田技术(西安)有限公司, 陕西 西安 710065)

0 引 言

一直以来,对射孔弹的研究主要关注在高穿深、大孔径方面,对等孔径技术研究较少。然而在油田现场射孔器下井过程中,射孔器周围与套管之间的间隙往往是不一致的,在间隙小的一侧,套管上形成的射孔孔眼较大,在间隙大的一侧,孔眼则较小,特别是对于水平井作业,由于仪器自重的作用,射孔器完全偏向套管下方的一侧,此时在套管上方形成的孔眼最小。由于孔眼摩阻与直径4次方的倒数呈正比关系[1],孔眼直径越小,射孔孔眼摩阻呈几何级增大,大幅增加了后期水力压裂时地层的破裂压力,并且小孔眼还容易出现砂堵现象。中国近年来新增油气大部分属中低渗透率储层和致密岩层,地层本身所需破裂压力较大,这种孔眼的不均匀性在后期压裂过程中甚至出现对地层无法压开的情况。常规聚能射孔弹由于射孔器与套管间隙不同导致套管上射孔孔眼的这种不均匀性给后期的压裂作业带来了许多的问题,许多专家和研究人员对此进行了分析和研究。刘合等[2]分析了孔眼直径等因素对孔眼摩阻的影响,通过数值模拟给出了井口压力的计算公式;谢荣华等[3]研究了水平井井筒上下方向射孔不均匀的问题,定量分析了偏心射孔对水平井压裂裂缝启裂及延伸的影响;袁吉诚[4]认为在新的油气开发形势下,射孔已不再是提高产能的最终手段,射孔应积极配合后期的压裂作业,提出应加强对等孔径技术关注的建议。为了克服这种孔眼不均匀性带来的不利影响,最简单有效的方法就是开发一种受间隙影响较小的等孔径射孔弹。

斯伦贝谢公司开发的StimStream压裂专用射孔弹,经在北美页岩气应用试验可降低破裂压力1 000 psi*非法定计量单位,1 psi=6 894.76 Pa,下同,在中国四川某页岩气水平井2个平台应用验证,其中一个平台应用15口井统计,降低破裂压力14 MPa,另一个平台应用9口井统计,降低破裂压力8 MPa。哈里伯顿公司研制的等孔径射孔弹经在美国西南部24个地区使用后比较,可降低地层破裂压力500～1 000 psi[5]。亨廷公司开发的等孔径射孔弹,经验证可大幅提高压裂时注水速率,从而降低破裂压力[6]。

由传统的大孔径、高穿深射孔弹到等孔径、高穿深射孔弹已成为射孔行业发展的新趋势。本文就影响油气井等孔径射孔单性能的因素进行了探讨。

1 影响等孔径射孔弹性能的因素

1.1 装药结构对孔径一致性射孔弹性能的影响

等孔径射孔弹是根据油气田现场作业的实际情况,在射孔枪与套管间隙不一致的情况下在套管四周形成相对比较一致的射孔孔眼,消除了套管上无效的小孔眼现象,降低了套管上射孔孔径的最大偏差。

装药结构是影响等孔径射孔弹性能的主要因素,药型罩形状又是装药结构的主要因素。等孔径射孔弹药型罩母线形状可由圆弧—直锥—圆弧组合而成(见图1),这种结构一方面可增加药型罩母线长度,以增加射流的本身拉伸长度和穿孔深度;另一方面可增加射流尾部的速度和能量,以增加射流尾部的破甲开坑能力。常规射孔弹为增大射流拉伸长度,在药型罩壁厚设计时采用变壁厚设计,即增加了药型罩口部壁厚,从而降低了射流尾部速度,以使射流头部和尾部有一定的速度梯度,增加射流的拉伸长度,提高射流的穿孔深度。与常规射孔弹相比,等孔径药型罩在设计壁厚时减小了药型罩顶部到口部的壁厚差,提高射流尾部速度,减小了射流头部和尾部的速度梯度,虽然射流的拉伸长度和穿孔深度有一定降低,但减少了由于射流拉伸过大而使得射流直径变小的现象,射流直径的一致性和稳定性有了很大提高。

图1 等孔径射孔弹药型罩结构示意图

为了对比2种装药结构在不同间隙下对射孔孔径的影响,对不同装药结构下的常规射孔弹和等孔径射孔弹进行了地面混凝土柱靶对比试验。试验条件为模拟89枪和140套管,射孔弹枪内间隙(炸高)为12 mm,射孔枪与套管的最小间隙5 mm(即射孔枪盲孔深度,该相位上射孔器与套管完全贴合),最大间隙为40 mm。图2为试验装置和模拟套管靶片的试验效果;表1为常规射孔弹与装药结构改进后等孔径射孔弹混凝土柱靶试验结果。

图2 2种间隙下混凝土柱靶试验装置与靶片穿孔效果

弹型检测项小间隙(12+5)/mm大间隙(12+40)/mm平均值/mm最大偏差/%常规射孔弹平均穿孔孔径129629635平均穿孔深度805976891—等孔径射孔弹平均穿孔孔径1139010212平均穿孔深度701829765—

从表1可见,经过装药结构设计改进后,在最大和最小2种间隙下等孔径射孔弹与常规射孔弹穿孔效果相比,虽然平均穿孔深度有所下降,但消除了套管上的小孔眼现象, 孔径一致性有了很大提高,大幅降低了套管上穿孔孔径的最大偏差,达到了设计的目的(最大偏差为2种间隙下模拟套管穿孔孔径平均值与总平均值相比)。

1.2 药型罩配方对等孔径射孔弹性能的影响

虽然等孔径射孔弹与常规射孔弹相比孔径的一致性提高很大,但穿孔深度有一定下降。为提高等孔径射孔弹的穿孔深度,减小等孔径射孔弹穿孔深度与常规射孔弹的差距,需要对药型罩配方进行改进,以达到等孔径、高穿深的目的。良好的药型罩配方可以提高射流的致密性和延展性,以提高射流的穿孔深度,增加射流的破甲开坑能力,进一步减小穿孔孔径的最大偏差[7]。经过对药型罩配方的研究和设计,在药型罩金属粉末中加入一定比例的-400目的超细W粉(10%)和铜铅合金粉(10%);加入一定比例的-200+320目钨粉(30%)及-100+200目铜铅合金粉(25%),其余部分为铜粉,增加了粉末体的致密性和延展性,以提高穿孔深度;加少量的的Ti粉(5%),钛具有较高的强度,可以增加射流的破甲开坑能力,对孔径的一致性有一定的作用。为了改善粉末体的流动性和成型性,在混合粉末的过程中,可加入少量的石墨和机油[8]。通过对药型罩配方的改进,可以提高等孔径射孔弹的穿孔深度,进一步减少穿孔孔径的最大偏差。为了对比2种药型罩配方对穿孔效果的影响,按前面的试验条件和方法进行试验。表2是采用药型罩配方改进后的等孔径射孔弹与常规射孔弹在不同间隙下混凝土柱靶试验结果。

表2 药型罩配方改进后等孔径射孔弹与常规射孔弹混凝土柱靶试验结果

1.3 压罩工艺对等孔径射孔弹性能的影响

压罩工艺直接影响到药型罩密度以及内部密度的均匀性,进而直接影响到射流的拉伸和穿孔效果。为了使粉末药型罩内部密度尤其是轴向密度达到比较均匀的目的,提高药型罩的成型性,需要对压罩工艺参数进行设计。药型罩成型参数中需要对模具旋转速度、压力、旋压时间、保压时间等关键参数进行设计和调试。为了提高药型罩密度及密度均匀性,在旋压过程中适当加大模具旋转速度,并对药型罩毛坯进行二次整型,且整形压力大于压型压力;对于模具旋压时间在旋转速度增大后,可适当减小,以提高生产效率;对于保压时间应尽可能减少,以增加模具的寿命,通常保压时间为1～2 s。经过参数设计调整后成型的药型罩可达到一定的密度及密度均匀性的要求,最终达到设计的穿孔效果。

2 现场应用

为进一步验证等孔径射孔弹在现场的应用效果,在四川南部某页岩气水平井进行效果验证。该井区位沉积盖层从震旦系到侏罗系,厚度约6 000～7 000 m,射孔井段位于约4 000～4 500 m位置。试验井采用相同平台不同井号,对常规89型射孔弹和等孔径射孔弹进行射孔后地层破裂压力对比试验(20发/m),射孔后地层破裂压力和施工压力数据见表3。从表3的数据计算得出,采用等孔径射孔弹射孔后相比常规射孔弹地层平均破裂压力降低了23%,平均施工压力降低了25%,地层破裂压力和施工压力有了明显的降低。

表3 采用2种射孔弹射孔后地层破裂压力和施工压力比较(相同平台,不同井)

3 结 论

(1) 经过对影响等孔径射孔弹主要因素的分析,所设计的等孔径射孔弹在射孔器完全偏置套管一侧的情况下,经API RP 19B混凝土靶试验,虽然穿孔深度有所下降,但套管穿孔孔径最大偏差降低为10%,消除了套管上无效的小孔眼现象,综合性能优于常规射孔弹。

(2) 装药结构是影响等孔径射孔弹孔径一致性的主要因素,通过对装药结构的研究设计,可大幅度降低射孔器与套管不同间隙下等孔径射孔弹穿孔孔径的最大偏差,但穿孔深度有一定下降。

(3) 药型罩配方设计改进后的射流致密性和延展性有了很大提高,提高了它的穿孔深度,在配方中加入少量的钛粉,可以增加射流的破甲开坑能力,进一步减小穿孔孔径的最大偏差。

(4) 压罩工艺直接影响到药型罩密度以及内部密度的均匀性,合理的压罩工艺参数可使等孔径射孔弹最终达到设计的穿孔效果。

(5) 经过某页岩气水平井现场应用,采用等孔径射孔弹相比常规射孔弹射孔后破裂压力降低了23%,施工压力降低了25%。

参考文献:

[1] Harive K. New Perforating Shaped Charge Design Improves Fracture Efficiency and Performance [C]∥China International Perforating Symposium, Sanya, 2014.

[2] 刘合, 张广明, 张劲, 等. 油井水力压裂摩阻计算和井口压力预测 [J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(增刊1): 2833-2839.

[3] 谢荣华, 王文军. 偏心射孔对水平井压裂的影响 [J]. 测井技术, 2015, 39(5): 660-664.

[4] 袁吉诚. 射孔为压裂酸化服务是射孔技术发展的必由之路 [J]. 测井技术, 2015, 39(2): 131-136.

[5] Golian T, Collins B. Optimizing Treating Pressure Through Implementation of Consistent Through Hole Charge [C]∥China International Perforating Symposium, Sanya, 2014.

[6] Willingham J D, Tan H C, Norman L R. Perforation Friction Pressure of Fracturing Fluid Slurries [R]. Denver, Colorado, 1993.

[7] 郭红军, 石健, 王长栓, 等. 粉末药型罩的试验研究 [J]. 测井技术, 2005, 29(增刊): 71-73.

[8] 王盘鑫. 粉末冶金学 [M]. 北京: 冶金工业出版社, 2003: 148-160.