复合射孔技术及影响射孔效果与安全性因素分析

石延强

【摘要】分析了高能气体爆燃压裂复合射孔技术原理和复合压裂射孔作用机理，重点对影响压裂复合射孔效果与安全性因素进行了论述，以为高能气体爆燃压裂复合射孔技术应用提供参考。

【关键词】复合压裂射孔技术  技术原理  作用机理  效果与安全性  影响因素

随着注水井生产时间的增长，由于受储层本身特性、后期作业、水质差等因素的影响，在射孔井段周围，地质状况逐渐发生变化，地层被堵塞，受到污染，近井地带渗流特性变差，导致吸水能力下降。在砂砾岩等岩性致密、低孔低渗的储层中，由于受到钻井液和固井水泥污染，会形成污染带，影响油井产能。采用常规射孔器射孔本身会形成射孔压实带，且穿透深度浅，射孔效果较差。

一、高能气体爆燃压裂复合射孔技术原理

高能气体爆燃压裂复合射孔技术利用射孔弹炸药与内置式或袖套式一级火药的反应时间差实现先射孔、后压裂;利用火药延时技术实现二级火药对储层的后续压裂。在射孔孔道周围形成宽而长的裂缝，有效地破除射孔压实带和钻井、固井污染，降低地层的表皮系数，提高地层渗流能力。

二、复合压裂射孔作用机理

复合压裂射孔对地层的作用机理分为三个方面，即深穿透作用、热化学作用和解堵除污染作用。

深穿透作用：此作用是复合射孔技术对地层最直接有效的机械做功形式，由于火药能量的有效利用，使得射孔穿透深度为聚能装药的穿孔深度与火药的造缝深度之和，大幅度提高了常规射孔的穿深，这种深穿透效果不仅沟通地层的范围广，渗流面积大，而且有与地层天然裂缝沟通的可能。

热化学作用：火药燃烧后不仅产生高压气体，而且释放出相对集中的大量热能，在近井带引起较大的温度变化，同时燃烧产物中的CO、CO2、NO、NO2等成分遇水可形成酸性液体对岩层起酸化作用

解堵除污染作用：火药装药燃烧产生的高压高温气体流束沿射孔孔道的高速冲击震荡，不仅使孔道延伸扩展，而且在孔眼周围也产生纵横交错的多条短裂缝，这种多向造缝作用，不仅解除了压实带堵塞，而且消除了钻井泥浆、固井水泥等污染，实现了地层综合性解堵，改善了近井带的导流能力。

三、影响压裂复合射孔效果与安全性因素

（一）孔密及峰值压力对效果的影响

在射孔参数中，射孔孔深、孔径、孔密是影响油气井产率比的重要参数，而当弹型确定以后，对于复合压裂射孔器而言，孔密成为影响压裂复合射孔效果的因素之一，它既关系着单位长度上的火药装药量，又影响着射孔段套管中的峰值压力。因为压裂造缝的能力、长短和方向靠高能气体压力变化（即压力上升时间，峰值压力和压力持续时间）来控制。在压裂复合射孔的作用过程中，火药装药燃烧形成的高能气流是通过套管上射出的孔眼而对岩层中形成的孔道实施冲击加载的。

复合射孔器火药燃烧产生的高能气流通过射孔孔眼泄入储层的质量速率与套管内外压差成正比关系。在一定的条件下，高能气流增大，使射孔延缝深度增加。但套管内外压差由套管内产生的峰值压力决定，而峰值压力与复合射孔器单位长度的火药装药量有关，也与套管内单位时间通过孔眼的压降有关。从保证复合射孔效果的角度出发，单位长度的复合射孔器必须匹配适量的火药装药，在套管内产生足够的峰值压力和内外压差，使复合射孔形成高能燃气流以绝对大于岩层破裂压力的动能对油气层冲击加载。

射孔密度增大都可使单位时间内泄入地层的气体量增大，井筒内压力变低，套管内外压差变小。这个结果对加快枪内和套管内高压的泄出速度，减少两者的承压时间和承压值，增大施工安全性无疑是有利的;但对于井筒内能否对达到所需的峰值压力却有着副影响趋势。在复合射孔应用中，峰值压力决定着对岩层冲击加载速度和孔道中裂面压力值的大小，因此，直接影响着射孔延缝的深度和最终的使用效果。要使单位长度有合理的火药装量或匹配合理的弹孔火药量，并在既保证枪体和套管安全承压的前提下，又使套管内产生必要的峰值压力和作用时间，对复合射孔而言，10至16孔是效果较好的孔密。

（二）射孔井段上部液面高度对效果的影响

复合射孔器射孔过程完成后，火药燃烧形成一定的峰值压力与作用时间达到延缝目的。峰值压力与火药装药量、燃烧形态及泄压速率有关，另外也与施工中的液柱高度有关。从复合射孔在井中作用情况分析，假设点火前射孔枪在井筒内没有自由空间，点火后火药燃烧产生的压力使井筒内液柱上举形成一定的自由空间。液柱低则质量轻，举升位移大而自由空间大，造成峰值压力降低。随着液柱的高度的增加，峰值压力也增加。研究表明当液柱高度小于500m时，峰值压力对液柱的变化比较敏感，而当液柱高度大于500m后，峰值压力随着液柱的高度的增加而增加，但增加的幅度趋于平缓。同样，液柱的高度也影响着造缝长度，其影响趋势与对峰值压力地影响大致相同。

通过以上分析，复合射孔施工时井内液柱的高度既影响峰值压力，也影响射孔造缝的的长度，最终影响了应用效果。所以，在确保枪体满足耐压要求并选用对油层无污染的压井液的基础上，应尽量使井筒内液柱达到需要的高度。一方面体现复合射孔高压射孔的特点，达到预期的射孔效果;另一方面还可使枪体有一定的外压的保护，抵消枪内产生的部分压力，增加施工的安全性。现场应用时为了削减液面高度对效果的影响，一般在射孔器上方的管柱中安装限流器，控制限流器与套管内壁的间隙可减少液体上泄流量。

（三）火药燃烧性能对应用安全性的影响

复合射孔器中的火药装药的种类、装药结构、环境压力及温度都直接影响着其燃烧性能，而火药装药的燃烧性能能否达到稳定状态对产品的应用效果及安全性有着直接的关系。复合压裂火药（推进剂）的成分及装药是复合射孔技术的关键技术之一，它的优劣直接影响着复合射孔的应用效果。

火药要满足四方面的要求：一是火药推进剂的燃烧速度;二是推进剂燃烧后形成的压力峰值;三是推进剂燃烧所形成的压力峰值维持时间;四是推进剂的耐温耐压必须达到井下使用要求。

对于推进剂的燃烧速度不能太快也不能太慢，太快则第一次与第二次峰值压力同时达到最高峰值或相隔的时间太短，一方面影响了气体的压裂效果，另一方面容易使枪和套管无法承受高压力造成事故;如果燃速太慢，则所形成的高压气体的压力降低，很难达到压裂功能。对燃烧后形成的压力峰值大小也有要求，峰值过高对枪破坏大，峰值低则影响压裂效果，所以要保持一个合适的压力值，且应考虑到井深、射孔厚度及地質构造情况。为了得到较好的压裂效果，要求在压力峰值处保持一定的时间，峰值压力的保持时间长一些对压裂的效果也响应就越好。为达到以上要求，一般采用复合型燃烧装药。