三级装药多级复合射孔技术研究

李作平，孙宪宏，谢阳平，石莹，纪松，胡俊毅

（1.大庆油田采油二厂，大庆 黑龙江163414；2.西安通源石油科技股份有限公司，陕西 西安710075；3.大庆油田试油试采分公司，黑龙江 大庆163412；4.江苏石油工程有限公司地质测井处，江苏 扬州225002）

0 引 言

复合射孔技术最大特点是在近井地带形成网状裂缝，改善地层导流能力。但是随着油田开发的深入，致密、低渗透率、非均质性强的油藏数量增多，开采难度不断增加，对射孔技术也提出了更高的要求，原有的复合射孔技术装药空间未充分利用，装药量小；泄压孔的设计不尽合理，二次能量的做功效率不高；钢质堵片落入井筒造成污染；射孔器结构设计中射孔弹炸高偏小。为克服上述缺陷提出三级装药多级复合射孔技术，改变了原有技术应用局限性，通过大庆油田的试验取得了良好的增产效果。

1 三级装药射孔的关键技术

1.1 超慢速火药

三级装药多级复合射孔的关键是引入了超慢速火药。超慢速火药是在军工技术的基础上通过配方优化增加缓燃材料、提高抗爆轰能力开发的新型火药。该火药的火药力450～550kJ／kg，燃烧结束点达到650ms以上（见图1）。

图1 3种火药性能曲线

1.2 三级装药结构设计

三级装药结构设计关键是控制火药燃烧与射孔弹爆轰之间以及火药之间的时间差，控制不好会引起枪身的较大膨胀变形或破裂，严重时造成枪身掉卡或油层套管破坏等事故。优化设计的原则是充分利用枪内空间，提高装药量，在枪身变形量满足SY／T 6824－2011标准规定下延长有效压力的作用时间。

枪内装药方式主要有3种，弹间装药、弹架外装药和射孔弹口端装药。确定3种装药的药性和药量是装药设计的关键。为此，进行了各种装药结构的地面动态p－t曲线测试。试验结果见表1。

通过优化设计，选择了序号3方案，其装药量为50g／发，是常规复合射孔的2倍；有效压力作用时间为18～26ms，是常规复合射孔的3～4倍、两级复合射孔的1.5～2倍。

1.3 泄压孔优化设计

泄压孔的设计直接影响到环空压力过程和p－t形态，对压力上升速率、峰值压力、有效压力作用时间都会产生很大影响。常规的复合射孔器泄压孔位置一般开在射孔弹射流方向的相反位置（射孔弹尾部枪身处），造成火药能量不能直接进入地层，影响火药的做功效率。

表1 三级装药多级复合装药结构方案对比

为使泄压孔的位置更加合理，对泄压孔位置与射流方向进行了数值模拟和验证试验，摸索出压力峰值和泄压孔相位之间的关系

式中，p为压力峰值；θ为泄压孔与射孔弹射流方向的夹角。

试验结果显示泄压孔开在射孔弹射流方向（0°）和相反方向（180°）时，火药爆燃气体进入孔道的初始压力不同，主要是压力上升速率和压力峰值，0°时要比180°时高得多（见图2、图3）。

1.4 破碎堵片研制

常规复合射孔枪泄压孔堵片采用45号钢作为骨架，表面硫化橡胶，射孔后堵片完全脱落至井底，无法用替井液替出，且没有成熟的打捞工具，严重影响油气井后期的大修和改造，为此提出了破碎堵片设计方案。

图2 θ为0°时压力时间曲线

1.4.1 设计原则及结构分析

等强度理论：协调结构尺寸，统一结构承载能力。

最大厚度界限不得超过泄压孔弦长高度，减少结构受到外部接触磕碰影响。

图3 θ为180°时压力时间曲线

图4 破碎堵片数值模拟

按设计尺寸加载80MPa的围压接触边界条件（不考虑环氧粘结的强度），计算模型见图4。

分析结果显示，80MPa时结构没有出现大的塑性变形；堵片应力与台阶应力匹配良好，达到等强度设计标准。

1.4.2 承压试验

用专用超高压试验装置对装有破碎堵片的整枪进行密封打压试验，试验结果证明该结构粉末冶金堵片安全承受压力能够达到80MPa（见图5）。

图5 破碎堵片耐压试验曲线

1.4.3 破碎效果及破碎堵片特点

利用单发射孔单元试验装置进行多次的实验，并全部回收堵片残渣。结果表明，在弹尾部的爆炸冲击作用下，破碎型堵片可以破碎，最大颗粒尺寸小于4mm×4mm。

射孔后破碎堵片破碎可以通过替井液替出，消除堵片给油气井带来的污染，即使不处理也不影响油气井的大修与改造。射孔弹射开的材料由32CrMo4变成了波阻抗较低的破碎材质，相同地质条件下射孔弹对地层穿深提高约9.3%。射孔后枪身无毛刺避免了卡枪事故发生；泄压孔与堵片形成内盲孔结构，射孔弹炸高提高10%～15%。

1.5 三联体药盒设计

基于两级装药复合射孔使用过程暴露的药盒占用空间大，运输和储存成本高，大批量市场应用困难；三级装药多级复合射孔提出了三联体药盒的设计思路，采用铰链结构将侧挂药盒和前置药盒联为一体，药盒卡爪插入弹架外预先设置的卡槽内，装配简单方便，运输及储存时药盒展开摆放占用空间小、成本低，能够保证大批量生产的要求。

2 地面p－t试验

地面p－t测试表明，具有这种装药结构的三级装药多级复合射孔器比常规同型号的复合射孔器压力上升速度稳定，压力峰值70MPa。30MPa时的压力作用时间达到18～26ms，是常规复合射孔的3～4倍、两级复合射孔的1.5～2倍，实现了较宽的压力平台。从理论上讲，这种新型三级装药多级复合射孔枪的射孔效率会更高（见图6）。

图6 三级装药与多级、传统复合射孔地面测试曲线对比

3 应用情况

太135－53油井井深1 238m，岩层破裂压力25MPa，井温28℃。三级装药多级复合射孔枪为16孔／m、90°相位，与所配射孔弹匹配的火药量不小于0.8kg／m。

与邻井所采用的多级复合射孔相比，射孔时水柱高度是多级复合射孔的近2倍，从井下p－t仪测出的曲线看，三级装药多级复合射孔最大压力92.4MPa，有效压力（30MPa）作用时间约25ms；而两级复合射孔最大压力84.6MPa，有效压力（30MPa）作用时间约14.6ms（见图7、图8）。提出井口射孔枪完好，测量射孔枪外径最大变形量为4.9mm，枪身无毛刺，各项指标均满足SY／T6824－2011标准要求。试油结果采油强度为3.23，比多级复合射孔提高了70%左右（见表2）。

图7 多级复合射孔井下p－t曲线

图8 三级装药复合射孔井下p－t曲线

表2 大庆油田3口井试油结果

4 结 论

（1）三级装药多级复合射孔克服了常规复合射孔的缺陷，装药量提高到50g／发，是常规复合射孔的2倍；优化了装药结构和泄压孔，气体压裂做功效率更高；破碎堵片减少了井筒污染；三联体药盒装配简便，储存运输成本低，使多级复合能够满足大批量油田施工的要求。

（2）地面和井下测得的p－t曲线表明，三级装药复合射孔的有效压裂作用时间比常规复合射孔及两级复合射孔有较大幅度增加，有效压力作用时间为18～26ms，是常规复合射孔的3～4倍、两级复合射孔的1.5～2倍，提高了造缝能力。

（3）现场实际应用效果表明，三级装药多级复合射孔器比常规复合射孔器以及两级复合射孔器有更好的增产效果。

［1］ 张双计，王炜.油气井燃烧爆破技术 ［M］.西安：陕西科学技术出版社，2003.

［2］ 佟铮，马万珍，曹玉生.爆破与爆炸技术 ［M］.北京：中国人民公安大学出版社，2001.