提高流动效率的新型射孔弹

陈玉,雷新华,赵世华,付代轩,赖康华

(四川石油射孔器材有限责任公司,四川隆昌642177)

0 引 言

非常规油气资源开发力度逐步加大,新增产能主要来自于非常规油气储藏,它的渗透率低,渗流阻力大,连通性差,不经过压裂酸化改造很难满足工业开采要求。在此背景下,以体积改造为中心的各种压裂酸化技术特别是水平井压裂技术快速发展,射孔己不再是提高产能的最终手段,而是压裂酸化前的一个预处理过程[1]。

在新的油气开发形势下,射孔工艺发展出分簇射孔、定面射孔、定向射孔等,特别是泵送桥塞分簇射孔分段压裂技术目前已成为非常规油气开发中的成熟技术,并得到广泛应用。射孔弹最高穿深已经高达1 986 mm。常见射孔弹有减轻压实带的自清洁射孔弹,产生穿深的同时形成孔道附近裂纹的复合射孔弹,提高压裂效果的等孔径射孔弹,以及目前国际上前沿发展的模拟地层条件下设计的应力射孔弹。基于使用效果和成本考虑,目前现场应用最广泛的还是传统的深穿透射孔弹。

传统射孔弹是基于射孔作为完井方式设计的,单一追求穿深,尽可能穿透近井污染带、获得更大的单井产量。在非常规油气藏的开发中,需要能提高流动效率的孔道,好的流动效率特点:①在不影响套管强度的基础上,尽可能提高孔径和孔道容积,降低流体在整个孔道中的摩阻,使附加压力降更小[2],在压裂施工中的综合表现就是压裂时地层破裂压力降低[3];②虽然非常规油气藏产生的压裂缝会成为主要的油气通道,但根据藤赛男等[4]的研究表明,在近井地带由于高速非达西渗流的存在,射孔产生的正表皮会加强高速非达西,最终使单井产量下降,而孔道具有好的渗透率,这对后续采集具有积极作用。基于这一理念,开发了一种能提高流动效率的新型射孔弹。

1 新型射孔弹设计

1.1 装药结构

装药结构设计是射孔弹设计中的一个基本和重要环节。它决定弹内腔形状和尺寸,直接影响药型罩口径、外锥角和炸药用量、分布等。

在聚能装药中,随着装药直径和长度的增加,穿深也随之增加,但射孔弹尺寸较小,通过增加装药直径和长度实现增加穿深,必须充分提高炸药能量的有效利用率,使能量尽可能转化到推动药型罩的做功上,装药结构直接关系着能量的有效利用率。

图1(a)为新型射孔弹装药结构。与图1(b)相比,它是由3个不同的锥角组成,Ⅰ部分有利于增加药型罩顶部的爆轰能量,减小稀疏波的影响,扩大药量的有效率,使射流头部速度增加;Ⅱ和Ⅲ部分提高药型罩的后续压垮能量,增加射流半径和杆体速度,使射流破甲的有效微元增加,实现孔径和孔容积的增加。

图1 装药结构

1.2 药型罩

1.2.1 锥角

目前,国内外主要的药型罩结构有3种。单直锥锥角越大,射流头部速度越低,速度梯度越小,射流趋于短而粗,穿深浅而孔径大;锥角越小,射流头部速度高、速度梯度大,射流趋于细而长,穿深高、孔径小,稳定性降低,易受外界因素的影响。

半球形曲率半径较大,在目标靶中形成较大的孔径,但侵彻深度较浅。

双直锥形成的射流梯度大,小锥角部分形成的细长射流最早投入侵彻,未拉断前就被消耗,而大锥角部分产生粗短射流,再投入后续侵彻射流得到有效延展,在穿深和稳定性上较前面2种都更有优势,但在双锥交界处易出现射流断裂,降低了炸药能量利用率。

1.2.2 壁厚

除了锥角结构,壁厚也对药型罩性能有较大影响。射孔弹在仅改变药型罩壁厚时钢靶穿深与壁厚关系曲线显示,当爆轰产物的冲量一定时,壁厚太厚,则爆轰能量有一部将要损失在对药型罩的加热上,对侵彻效果不利;如果太薄,则罩的强度过低,会在产生射流前先行破碎,罩微元只能获得很低的初速度。

射孔弹受尺寸限制,一般都是在低炸高下使用,射流得不到充分的拉伸,因此,需要加大射流的速度梯度。为了改善射流性能、提高破甲效果,在实践中通常采用变壁厚药型罩。顶部薄、底部厚的变壁厚药型罩使射流头部速度提高、射流尾部速度降低,从而增加射流的速度梯度使射流拉长。

1.2.3 药型罩结构

根据以上分析,高流动效率射孔弹采用了一种新型的变壁厚锥弧结合[5]的结构,其壁厚变化见图2。

图2 新型射孔弹药型罩从罩尖部到口部的壁厚变化

图3 新型射孔弹药型罩结构图

该设计从顶部到底部厚度逐渐增加,从而形成具有良好速度梯度的射流(见图3);射流头部具有高速及小速度梯度,使头部能在侵彻开始之前就得到足够地延伸,并在侵彻开始后又能使射流前段缓慢减速。而射流中、后部,则具有适宜的速度梯度及相应的质量或半径分布,以保证既具有一定的延展性,又具有能经受长期、远程延展而不致过早发生断裂的能力;底部内锥的弧形结构,使尾部速度在降至射流的临界侵彻速度前产生对目标的有效侵彻,提高有效射流质量及半径。

1.3 数值分析

在确定了基本的装药结构和药型罩结构后,就能对射孔弹进行数值仿真计算。炸药、药型罩、空气均采用欧拉网格建模,单元使用多物质ALE算法,其好处是可以克服单元严重畸变而引起的数值计算

困难,并实现了流体—固体耦合的动态分析[6]。

靶板采用Lagrange算法,射流侵彻体通过耦合将能量和压力传递给靶板,实现对靶板的侵彻作用。深穿透射孔弹有大量的生产实践数据作为参考,为了节约数值建模和计算的不必要工作量,因此,仅对深穿透和新型结构进行数值计算。

计算了射流形成之初射孔的初速度,结果见图4。射流形成之初的微元,新型结构射流初速度为8 791 m/s(11 μs),深穿透结构初速度为7 308 m/s(10 μs)。新型结构的射流初速度更高,更有利于对靶的侵彻。

从图5给出的计算结果可以看出,新型结构给出了57、61 μs时刻的状态,深穿透的状态时间是56 μs,虽然它的时刻较早,但形成的射流在头部出现了明显的断裂痕迹,新型结构射流形态更加稳定与均匀。

图4 射流初速度

图5 射流形态

通过计算分析,新型结构与深穿透相比较,穿深变化不大,但孔径提高了20%。

由以上对射流初速、射流形态、穿深和孔径的结果来看,在其他条件不变的前提下,新型结构药型罩性能优于深穿透。

2 试 验

2.1 流动效率

从套管上射开孔眼,并形成射孔孔道后,孔眼大小、孔道周围压实带、碎屑等,及孔道容积的影响,会阻碍流体在孔道周围和孔道内部的流动效率,因此有必要用一参数来衡量孔道的真实流动效率,即岩心流动效率,理想射孔孔道的岩心流动效率为1,小于1则表明孔道受到了损害,大于1则表明增产[7]。

按照《GB/T 20488—2006油气井聚能射孔器材性能试验方法》,在围压31.0 MPa、孔隙压力10.3 MPa、井筒压力6.9 MPa的模拟地层真实环境的条件下,对其流动效率(综合孔眼、孔道、渗透率等性能)进行试验。

结果表明与深穿透射孔弹相比,新型射孔弹轴向、径向流动效率分别提高了15.28%、15.38%。

2.2 孔道对比

图6是同一药型罩口径下,常规射孔弹和新型射孔弹分别留下的孔道。可以直观的看到,新型射孔弹形成的孔道入口更大、整个孔道容积也更大,有利于在压裂时减低孔道摩阻,孔道末端附近呈裂缝状,有利于压裂裂缝的延伸和提高孔道周围渗透率。

3 现场应用

新型射孔弹在页岩气开发区块的某井进行分簇射孔+压裂作业。

从图7的压力曲线可以看到,施压后压力迅速上升到破裂压力,地层被压开后,裂缝迅速延伸。说明压裂液在射孔孔道内的流动性很好、摩阻小。

图6 孔道对比

图7 某井2段压裂曲线图

4 结 论

(1)变壁厚锥弧结构的药型罩结构,具有射流轴向能量使射流头部具有高速及小速度梯度,能保证头部在侵彻开始之前就得到足够地延伸,并在侵彻开始后又能使射流前段缓慢减速;而射流中、后部,具有适宜的速度梯度及相应的质量或半径分布,以保证既具有一定的延展性,又具有能经受长期、远程延展而不致过早发生断裂的能力;形成的孔道整体孔容较深穿透更大,入口孔径更大。

(2)与深穿透射孔弹相比,新型射孔弹形成的孔道摩阻小、孔道渗透率更好,更适合非常规油气藏的开发。