等孔径射孔器评价方法探讨

李东传，金成福

石油工业油气田射孔器材质量监督检验中心（黑龙江大庆163853）

■标准化

等孔径射孔器评价方法探讨

李东传，金成福

石油工业油气田射孔器材质量监督检验中心（黑龙江大庆163853）

模拟等孔径射孔器在混凝土靶套管中的偏靠位置上射孔，可以真实地反映孔径变化情况。通过对等孔径射孔器、普通射孔器试验结果的对比分析，提出利用孔径相对偏差、相位孔径比和孔径相对标准偏差来评价等孔径射孔器的孔径一致程度，并给出了评价方法和评价指标，为等孔径射孔器的检验和评价奠定了基础，希望能为标准的制修订提供参考。

等孔径射孔器；间隙；检测；评价方法

射孔施工时，由于射孔器在套管内偏靠在一侧，枪管壁与套管壁之间间隙不同，导致了射孔孔道不均一（图1），孔径小的部分孔道导流能力明显降低，甚至影响了后续压裂施工效果。尤其在水平井、大斜度井中，射孔器由于重力的作用一侧贴在套管内壁，由于间隙的影响，射孔后在套管上的孔径大小不同：靠近套管内壁的孔眼直径大、远离的直径小。在增产改造时，孔径小的孔眼注入的流体少，影响整体效果。

图1 射孔器在套管中偏靠位置射孔示意图

国内外均十分重视解决射孔器在套管中不居中造成的射孔孔眼直径不一致的问题，并研制了相应的射孔器材，能够在套管上产生基本一致的穿孔孔径，可称之为等孔径射孔器。主要有以下两类产品：一是通过优化设计聚能射孔弹结构，使射孔器基本不受间隙影响，以保证套管上的孔眼直径一致，代表产品有哈里伯顿公司的MaxForeR-FRAC射孔弹、GEODynamics公司的FracIQTM射孔系统、Hunting Titian的Consistent Hole Charge射孔弹等、中国石油川庆钻探工程有限公司测井公司的SDP35HNS25-4射孔器；二是利用扶正装置确保射孔器居中，避免间隙的影响，具有代表性的产品有中国石油大庆油田有限责任公司大庆试油试采分公司的旋转扶正装置+普通射孔器。也有人将旋转扶正装置+等孔径射孔器组合使用，希望获得更好的效果。

GB/T 20489—2006《油气井聚能射孔器材通用技术条件》[1]未涉及等孔径射孔器的检验和评价。在分析了等孔径射孔器技术特点的基础上，利用地面条件下混凝土靶射孔试验[2]在模拟井下套管中位置的条件下检测穿孔性能，并探讨了评价方法、评价指标。

1 间隙对射孔效果的影响程度及描述

射孔器在套管中的位置影响穿孔性能，即间隙影响穿孔深度和孔径。89型射孔器（外径89 mm）进行140 mm（5 1/2 in）套管射孔试验时，0间隙穿孔深度值都高于大间隙状态下的穿孔深度值，这是由于射孔器在套管中的位置不同所造成的，穿孔深度系统误差为18 mm[3]。

为了研究目前现场使用的射孔器在不同情况下的穿孔性能，按GB/T 20488—2006《油气井聚能射孔器材性能试验方法》进行试验，试验时射孔器在套管中的位置分别居中、偏靠。2种位置条件下平均穿孔孔径分别为9.9 mm、10.0 mm（表1），非常接近，但标准差差别大，分别为0.4 mm、1.5 mm，这主要是由于偏靠带来的系统误差造成的。0间隙时孔径平均值最大，15 mm间隙时孔径平均值居中，35 mm间隙时孔径平均值最小，相位孔径比（相位孔径平均值中极大值/极小值）为1.42。

蔡山等用孔径差异度描述穿孔孔径间的波动程度，该指标给出孔径分布范围占平均值的比例，见式1。郭鹏等用相对偏差、相对标准偏差也就是Chris Sokolove等的相对波动范围（Range）、变异系数（Coeffcient of Variation）描述穿孔孔径间的波动程度，相对偏差给出每一个孔径值与平均值的差异占平均值的比例，见式2，与孔径差异度相似，但强调的是个体；相对标准偏差给出孔径波动大小占平均值的比例，见式3，强调整体。这3个指标从不同角度描述了射孔孔径一致性程度，能够明显区分射孔器居中、偏靠条件下穿孔孔径特点，均可以作为判定射孔孔径一致程度的指标。

孔径差异度＝[（最大值－最小值）/2]/平均值×100%（1）相对偏差＝（测量值－平均值）/平均值×100%（2）相对标准偏差＝标准差/平均值×100%（3）

2 井下施工对孔径均一程度的要求

姜民政等[4]通过压裂液在射孔孔眼处损失规律研究后认为，相同压裂条件下，泵入排量、有效孔眼数及射孔直径是射孔孔眼局部位置处压力损失的主要影响因素，排量越大、有效孔眼数越少及射孔孔眼直径越小，孔眼位置处压力损失越大[5-6]。

谢荣华等[7]认为对于水平井同一段压裂井段，假设上下孔眼位置的岩石物性相同，对于已压开的裂缝，裂缝延伸端部的压力相同，则从井筒到上下孔眼裂缝端部的压力损失相同，可推导出流经水平井上下孔眼的流量关系。按该关系计算出了最大与最小孔径比及与裂缝长度比间的关系（图2），压裂时，流经上下孔眼的流量比等于孔眼面积比的平方。流量比越接近1，表明裂缝均匀延伸，流量比相差越大，裂缝的非均质延伸越明显，将影响压裂效果。

图2 相位孔径比与压裂裂缝长度比间的关系

目前，国内压裂施工设计中没有针对孔眼均匀性的规定，一般认为压裂裂缝非均质延伸控制在20%范围内均可接受。水平井压裂可分为普通压裂和体积压裂，普通压裂射孔段较长，一般3 m以上，体积压裂射孔段较短，一般0.5 m左右，但一次压裂4段（簇）左右。因此，普通压裂宜从整体考虑，相位孔径比不大于1.1较合理；体积压裂宜以簇为单位考虑，即为用簇代替相位较合理。

3 判定指标的确定

3.1 等孔径射孔器

统计了按GB/T 20488—2006中地面条件下混凝土靶射孔试验（试验时等孔径射孔器偏靠在套管内侧）结果（表2）。这表明穿孔孔径均一性好的等孔径射孔器相对偏差在±10%范围内、相对标准偏差≤6.0%、孔径差异度≤9%，其对应的相位孔径比小于1.1。Chris Sokolove等给出的等孔径射孔器的相对标准偏差（Coeffcient of Variation）为5.9%，孔径差异度（Range）为18.3%。

3.2 普通射孔器与旋转扶正器组成的等孔径射孔器

对于普通射孔器与旋转扶正器组成的等孔径射孔器，可利用在套管内居中位置试验得到的穿孔孔径数据来评价其孔径的均一程度。统计2016年国内具有代表性的普通聚能孔器产品，以外径89mm射孔器居中试验结果为例分析产品整体水平（表3）。普通聚能射孔器产品在居中条件下穿孔孔径波动幅度不同，稳定的相对偏差在±10%范围内、相对标准偏差≤6%、孔径差异度≤10%，不稳定的相对偏差一个或几个超过10%、相对标准偏差达到11.0%、孔径差异度达到16.8%。

表2 外径89 mm等孔径射孔器在外径139.7mm套管中偏靠位置射孔试验结果分析

4 评价方法

理想的等孔径射孔器的射孔孔径均一，但受制造技术等因素的制约无法实现。目前，部分产品能够满足现场要求的相位孔径比≤1.1的要求。

相位孔径比、相对标准偏差、孔径差异度均可不同程度地反映组内个体的分布情况，如果选为评价参数，则可能出现单个数据波动很大的现象，且无法确定极值数据的个体数量。如以相位孔径比≤1.1、相对标准偏差≤6%、孔径差异度≤10%为判定值，可能出现单个数据的相对偏差＞10%的现象。表3中E型产品相位孔径比1.00、相对标准偏差4.8%、孔径差异度10.0%，有一个孔径相对偏差＞10%，为13.1%。相对偏差描述的是组内的个体，与相对标准偏差、孔径差异度、相位孔径比密切相关,如果选为评价参数，可控制单个孔径波动幅度和超过该幅度的量。如果允许1个或几个值超过10%，也可选择计数抽样的方案解决。因此，选相对偏差作为评价参数较为合适，必要时再辅助相位孔径比、相对标准偏差等指标也是可行的。相位孔径比评价指标初步定为≤1.1，相对标准偏差评价指标初步定为≤6.0。

表3 外径89 mm聚能射孔器在外径139.7 mm套管中居中位置射孔试验结果分析

相对偏差采用计数抽样方案。计数抽样检验方案按国家相关标准的规定确定。

5 结论与建议

1）利用地面条件下混凝土靶射孔试验模拟射孔器在井下套管中的位置检测等孔径射孔器的穿孔深度、穿孔孔径等性能指标，真实地反映等孔径射孔器的穿孔性能。

2）利用“相对偏差”可以合理地评价穿孔孔径的一致性，结合施工需求及国内外产品整体水平确定了评价值。并给出了与之对应的计数抽样检验方案。

3）相位孔径比、相对标准偏差和孔径差异度均可不同程度地反映组内个体的分布情况，作为评价指标在产品稳定性好的情况下能够准确描述孔径有一致程度。当产品稳定差时，可能出现一个或几个孔径值异常大或小的现象，与相对偏差等描述个体的指标结合使用更合理。

[1]国防科学技术工业委员会.油气井聚能射孔器材通用技术条件：GB/T 20489—2006[S].北京：中国标准出版社,2007.

[2]国防科学技术工业委员会民用爆破器材服务中心.油气井聚能射孔器材性能试验方法：GB/T 20488—2006[S].北京：中国标准出版社,2007.

[3]李东传,金成福,徐艳萍,等.关于SY/T 5128—1997标准中穿孔深度判定方法所存在的系统误差[J].石油工业技术监督,2012,28(8)：32-34.

[4]姜民政,曹彦鹏,叶鹏,等.压裂液在射孔孔眼处压力损失规律研究[J].石油矿场机械,2011,40(3)：1-4.

[5]朱军,田仲强,赵明宸,等.油水井射孔孔眼对全井渗透率的影响分析[J].石油石化节能,2003,19(10)：18-19.

[6]周田生.射孔水平井孔眼密度优化分析[J].石油钻探技术, 2007,35(5)：55-57.

[7]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.

To simulate the perforation of constant diameter perforator in concrete target casing can really reflect the size change of perforated holes.Through comparative analysis of the test results of constant diameter perforator with conventional perforator,it is suggested that the relative deviation of perforated hole diameter,phase hole diameter ratio and ratio and the relative standard deviation of hole diameter are used as the parameters for evaluating the consistency of the perforated holes,and the evaluation method and the evaluation indexes are presented,which lays a foundation for the inspection and evaluation of constant diameter perforator,and is hoped to provide reference for the setting and revision of the related standards.

constant diameter perforator;clearance;detection;evaluation method

路萍

2017-03-01

李东传（1969-），男，高级工程师，现从事射孔器材检验工作。