慈建发，刘献博，李 军,3，杨宏伟，柳贡慧，文 涛

(1.中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院 四川 德阳 618000；2.中国石油大学(北京) 北京 102249；3.中国石油大学(北京)克拉玛依校区 新疆 克拉玛依 834000；4.中国石油塔里木油田公司 新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

射孔完井是目前石油与天然气勘探开发领域应用最为广泛的完井方式，射孔弹爆炸后产生的巨大压力、极高的温度瞬间压垮、熔化药型罩，使药型罩形成金属射流侵彻套管、水泥环、岩石层，从而形成储层与井筒的物质通道[1-3]。同时射孔会造成套管-水泥环的损伤，严重时直接影响油气井施工安全及油气井生命周期[4-6]。

目前，针对射孔完井中套管损伤的问题，相关学者进行了大量的研究工作，取得了较为丰硕的成果。针对射孔过程中套管强度及安全性问题，应用振动力学相关理论，考虑套管轴向受冲击载荷作用，揭示了套管受到轰爆波冲击作用下的动态力学特征[7-10]。相关学者针对射孔参数优化，考虑射孔孔密、射孔相位角、孔眼直井等射孔参数，建立射孔完井后产能预测模型以及套管强度模型， 研究射孔参数对于产能、套管强度的影响，完成射孔完井设计[11-14]。在进行射孔参数优化时，首要考虑的就是射孔对套管的影响，射孔过程是一个能量瞬间释放的过程，这个过程必然对套管造成损伤，同时套管的寿命直接影响油气井的生命周期。但是射孔的过程比较复杂，仅仅通过使用相关理论模型进行射孔参数优化，与实际的套管损伤往往存在较大的差距。本文采用数值模拟的方式，基于套管损伤研究，对射孔参数进行优化，为现场射孔参数设计提供参考。

1 聚能射孔数值模拟研究

1.1 几何模型

通过数值仿真的方式建立聚能射孔的动力学模型。模型主要由射孔弹、套管、水泥环、岩石组成，如图1所示。套管、水泥环的厚度分别为9.17、30 mm，岩石50 mm，模型整体高度200 mm。

图1 射孔几何模型

井下射孔弹被击发后产生的巨大压力、极高的温度瞬间压垮、熔化药型罩，使药型罩形成金属射流侵彻套管、水泥环、岩石层，从而形成储层与井筒的物质通道。药型罩形成金属射流后，金属射流由射流杵和杵体组成。

1.2 套管应力特征分析

动力学模型计算中，选用的套管尺寸、材料等都是现场应用中较为普遍的，选择的套管通径139.7 mm，壁厚9.0 mm。套管材料密度7.8 g/cm3，杨氏模量为207 GPa，泊松比为0.3，材料屈服应力为758 MPa。

聚能射孔弹瞬间爆炸，将药型罩迅速压缩，这就是压垮后的药型罩呈现流体状态，但是密度却高于固体状态下的药型罩密度的原因。压垮后的药型罩形成的金属射流的杵体、射流杵部分的密度最大，由伯努利方程可知流体密度升高后，射流杵的动能增大，具备更大的穿透能力。

以在套管上形成的射孔中心为原点，研究射孔周围应力变化特征。套管上形成的射孔呈现椭圆状，射孔周围形成套管应力集中带，应力主要集中在形成的射孔的长轴方向。套管上的应力随着距射孔中心的距离增加呈现逐渐减小的趋势，在射孔长轴方向上最外层形成应力也必然最小。但是，两发射孔弹之间的距离、相位角会对这种应力分布造成重大干扰：两发射孔弹距离较近时，两发射孔弹中间的套管部分会受到两个方向上的应力叠加作用，形成较为严重的套管损伤区域，因此优化射孔孔密、相位角对于研究套管损伤具有重要意义。

2 射孔参数优化

2.1 射孔孔密参数优化

通过开展动力学数值模拟计算，考虑射孔弹开口直径，确定射孔孔密最大值为23孔/m，建立孔密区间为10～23孔/m的射孔计算模型，开展数值模拟计算，优化射孔孔密。统计分析各个射孔孔密下的应力云图，如图2所示。孔密为10孔/m时，套管应变特征性较弱，这是由于射孔弹之间的距离较远，套管损伤也最小，但是相应的射孔完井下的产能也最低，相反孔密为23孔/m时，套管应变较大，套管损伤严重。

图2 不同孔密下套管应变曲线

孔密优选时需要考虑射孔弹间的应力叠加现象。从云图上可以看出，射孔孔密为16孔/m时，射孔弹间开始出现轻度应力叠加现象；射孔孔密为18孔/m时，射孔弹间出现的应力叠加现象开始形成面状叠加。

随着射孔孔密增加，射孔完井产能增加，同时射孔孔密增加，套管强度逐渐降低，基于这两个方面的考虑，最优射孔孔密应确定为16孔/m。

2.2 射孔相位角参数优化

在实际射孔参数设计中，当相位角增大到一定值时，就已经满足工程中套管损伤最小化的需求，而满足套管损伤最小化的相位角阈值即为最优相位角。本节动力学数值计算中，采用的射孔孔密尽可能小，这样优化后的相位角可以适用任意射孔孔密，基于这个考虑，取射孔孔密为20孔/m，相位角区间0～75°。孔密一定时，随相位角的增加，射孔间的距离也逐渐增加；当相位角一定时，随孔密的增加，射孔间的距离减小。

射孔相位角优选时依然考虑射孔弹间的应力叠加现象，计算云图如图3所示。

图3 射孔间距离分布

射孔相位角为0时，射孔弹间的应力叠加现象极为明显，并且应力叠加后的应力达到了套管严重损伤的程度。随相位角的增加，射孔弹间的应力叠加范围逐渐减小，并且在45°时，射孔弹间的叠加后的应力小于套管损伤的阈值。相位角45°后，射孔弹间的应力叠加明显减小，同时考虑相位角与产能、套管强度的关系，最优相位角为45°。

射孔完井中，射孔弹对套管造成损伤无法避免，通过进行射孔参数的优化尽可能降低套管损伤情况。结果表明，在计算过程中，套管上两射孔之间中心位置处出现的最大叠加应力为580 MPa，射孔间中心位置处的叠加应力始终在套管屈服应力以下，套管损伤得到减弱。

3 结 论

文章主要进行套管损伤分析的射孔参数的优化，通过分析套管上形成的射孔之间中心位置处的应力特征，研究射孔完井过程中套管损伤问题，对射孔参数进行了优化分析：

1)聚能射孔侵彻套管过程中，金属射流造成套管直接损伤，而相邻射孔弹间金属射流侵彻套管产生的应力，以射孔为中心以环状分布的特征向外扩展，相邻射孔弹间的应力出现叠加造成这部分套管损伤，基于此，考虑相邻射孔弹间的应力叠加，完成射孔参数优化，具有一定的合理性。

2)通过开展射孔孔密区间为10～23孔/m的动力学数值计算，考虑射孔弹间应力叠加现象，对射孔孔密进行优选，优化后的射孔孔密为16孔/m。

3)通过开展射孔相位角区间为0～75°的动力学数值计算，考虑射孔弹间应力叠加现象，对射孔相位角进行优选，优化后的射孔相位角为45°。