井下爆炸扩孔技术研究与先导性试验

陈小元

(中石化华东石油工程有限公司江苏钻井公司)

在石油天然气钻井施工作业中，因各种目的和原因需要井下扩孔。如为提高小间隙井的固井质量、严重缩径井、应用膨胀管封堵复杂地层等井段均需要钻井扩孔[1-2]。目前石油钻井井下扩孔方式主要有两种：钻后扩孔和随钻扩孔。这两种常规扩孔方式受扩孔地层的不均质性、压实强度、岩石硬度和井眼狗腿大小、井斜大小等因素的影响，施工中会出现扩孔扭矩大、周期长、效果不理想、精度不够等问题以及扩孔工具断刀翼等风险[3-5]。通过钻井井下爆炸扩孔技术的前瞻性研究，形成的聚能扩孔弹井下爆炸扩孔技术可有效解决以上问题。该技术在XJX1井进行了井下试验，3 m长的爆炸扩孔器爆炸后，Ø216 mm井眼扩孔率达到12.84%，达到了研究目的。试验表明,应用聚能扩孔弹爆炸产生的爆轰波对井壁实现扩孔是可行的，而且扩孔速度快、扩孔效果好。

一、井下爆炸扩孔技术的可行性研究

1.应用爆轰波理论研究爆炸扩孔技术的可行性[6]

试验数据分析表明，炸药在水中爆炸时冲击波阵面超压可用式(1)函数描述：

(1)

式中：Δpy—冲击波阵面超压，GPa；A—炸药在水中爆炸时冲击波压力系数,GPa；α—冲击波压力的衰减系数；r0—装药半径，mm；r—介质与爆心距离，mm。

对于TNT炸药，当35

因此当炸药在水中发生爆炸时，将产生1 GPa以上的动态高压。而一般岩石的强度都低于100 MPa，炸药爆炸产生的高压远远高于岩石的强度，因此可以对岩层达到扩孔的效果。

2.应用聚能效应理论研究爆炸扩孔技术的可行性

根据聚能效应理论，利用炸药成型技术，将炸药制成适当的空心形状，以使炸药能量向实现切割的规定方向聚集。当空心装药表面有金属衬罩时，炸药爆炸后，聚能作用使爆炸能量向聚能罩方向汇聚。这样，爆轰产物以高达几十万大气压的极高压力作用于药形罩(聚能罩)，将其压垮而后向对称轴作闭合运动，最终在对称平面高速碰撞，其结果使得罩内壁附近的金属在对称平面上被挤出一块向着装药底部以高速运动的呈薄片状的射流。它一般是呈塑性流动状态(在爆炸高压下)的高速金属流。据高速摄影测定结果可知，其头部速度为3 000～5 000 m/s，集聚了很高的能量，从而满足扩孔效果。

3.用ANSYS仿真软件研究爆炸扩孔技术可行性

爆炸扩孔应用Ø178 mm爆炸扩孔装置(Ø178 mm管柱外缠绕直径Ø5 mm扩孔索)在Ø216 mm的裸眼井进行爆炸扩孔作业。为评估爆炸扩孔效果，通过有限元分析软件ANSYSAUTODYN对其爆炸过程进行数值计算和仿真，计算结果显示爆炸扩孔装置能将裸眼井直径扩大约17.6%。

二、聚能扩孔弹井下爆炸扩孔方法的技术关键

1.聚能扩孔弹炸药的优选

对目前在用的各类型炸药性能进行比较分析，同时根据石油钻井的井下高温等条件，优选钻井井下爆炸扩孔炸药的类型。由于HMX的撞击感度比常见的TNT略高，容易起爆，爆速高，安定性较好[6-9]。奥克托今的密度大于黑索今，熔点高、不吸湿，爆速、热稳定性和化学稳定性都超过黑索今，化学安定性甚至好于TNT，且具有较高的耐热性，这些性能都超过了黑索今，是目前单质猛(性)炸药中爆炸性能最好的一种。因此选定奥克托今作为钻井井下爆炸扩孔的主要爆炸物。

2.聚能爆炸扩孔装置的结构设计

2.1 聚能爆炸超高孔密扩孔器的结构设计

聚能扩孔弹和导爆索装配在超高孔密扩孔器上(图1)。采用钻杆输送“压力开孔起爆装置+爆炸扩孔器”至预定的扩孔位置，在钻杆内充满液体，通过地面泥浆泵加压，压力开孔起爆装置(图2)内剪切销被剪切，撞针解锁撞击起爆器，起爆器输出冲击波引爆传爆管及导爆索[6]。导爆索引爆聚能扩孔弹，扩孔弹中主装药爆炸，压垮药型罩形成金属射流，射流作用到岩石壁上从而起到扩孔效果。

图1 聚能爆炸扩孔管柱结构示意图

图2 压力开孔起爆装置

(1)超高孔密射孔枪材料宜选用硬度较高且易加工的合金钢材料。

(2)超高孔密射孔枪的外径确定为Ø178 mm。

(3)超高孔密射孔枪孔密60孔/m，18个相位，相位角140°，盲孔壁厚5.5 mm，耐压80 MPa。

(4)弹架(图3)外径为Ø70 mm，选用高硬度钢管制成，采用激光切割加工而成。

图3 弹架结构图

2.2 聚能扩孔弹的装药结构设计

聚能扩孔弹主要由弹壳、主装药和药型罩组成，结构见图4所示。

图4 聚能射孔弹结构示意图

(1)药型罩结构设计。药型罩聚能原理：炸药爆轰产物在推动罩壁向轴线运动时，将能量传递给了药型罩，由于药型罩的可压缩性很小，因此其内能增加很少，能量的绝大部分表现为动能形式；加上罩壁在轴线汇聚碰撞时发生能量重新分配，使能量集中程度进一步提高并产生金属射流。药型罩材料选用多种金属的混合粉末来压制药型罩，具体配方是55%钨粉+40%铜粉+5%铋粉。为实现深穿、扩孔率大的目的，药型罩采用了31.6 mm口径弧后移的结构形式。

(2)弹壳结构设计。弹壳应与药型罩相匹配，在不影响射孔弹穿孔性能的前提下，考虑材料的经济性，选用了45#钢作为壳体材料。

(3)装药类型设计。根据160℃/48 h的耐温需求，确定主装药种类为HMX，压药密度必须大于1.7 g/cm3。

三、聚能扩孔弹爆炸扩孔的井下试验

1.试验方法

XJX1井位于江苏省东台市，是一口定向预探井，实际井深3 630 m，因无油气显示而弃井,决定在该井进行爆炸扩孔试验。

1.1 扩孔井段的优选

XJX1井三开采用Ø215.9 mm钻头钻进，从电测井径图看出，929.50～932.50 m之间存在缩径现象，931.75 m井径只有215.34 mm，地层为盐城组，棕红色泥岩夹砂砾岩。为有效验证聚能扩孔弹的爆炸扩孔的有效性，优选上部塑性缩径井段进行扩孔实验。爆炸扩孔试验井段：929.50～932.50 m，爆炸扩孔装置有效位置中心点位于931.00 m处。

1.2 试验过程

(1)地面组装。现场组装爆炸扩孔装置，共六个相位，最大外径178 mm，有效长度3 m，每米60颗弹孔，共180颗，总长度3.97 m，有效扩孔装置中心点位于工具中心2.19 m。每颗扩孔弹药量12 g，共2.16 kg炸药。

(2)组合钻具。爆炸扩孔工具+钻杆+方钻杆。根据选定的位置，下入钻具928.81 m，爆炸扩孔弹有效中心位于井深931.00 m处，最下端引导头位于932.78 m，有效井段929.50～932.50 m之间。

(3)下钻。下钻控制速度，每柱灌清水，每下5柱灌满一次，下预定位置再灌满清水，接方钻杆。

(4)井下爆炸扩孔。由于总装药量达2.16 kg，为防止爆炸产生的波动导致井内钻井液喷出，关闭防喷器，打开节流管汇，通到泥浆罐；为防止起压过快，拆钻井泵凡尔，缓慢打压；间断合泵打压，第一次压力升至4 MPa，第二次压力升至6 MPa，第三次压力升至8 MPa，第四次压力升至11 MPa，第五次压力升至14 MPa时，钻台有轻微震感，确认已经起爆。

(5)起钻。开防喷器，上提钻具，起到920 m左右，没有挂卡显示，静止等待5 min后下探，下探到井深946.41 m，无遇阻显示，起钻。

(6)爆炸扩孔后，采用四臂式测井仪测900～960 m之间的井径。

2.试验结果

2.1 穿孔率情况

弹架共安装扩孔弹180颗，外筒有180个单孔，说明扩孔弹全部起爆。

2.2 井径扩大率情况

爆炸扩孔前：929.50～932.50 m之间井段缩径，其中930.00～932.125 m之间井段平均井径223.23 mm。

爆炸扩孔后：929.50～930.00 m之间为上过渡段；930.00～932.125 m之间为扩孔段，平均井径251.90 mm，扩大率12.84%；932.125～932.50 m之间为下过渡段。

2.3 爆炸后地层稳定性分析

爆炸扩孔后井壁是否发生垮塌，这是一个值得探讨的问题。通过研究分析，认为井下爆炸扩孔不会造成井壁的垮塌现象，爆炸后几乎不形成垮塌碎屑物。原因：①爆炸扩孔所应用的炸药，爆炸后产生的爆轰波和爆轰产物瞬间均匀地剧烈冲击压向井壁，作用时间短，只要在30 ms内瞬间将井壁压实并产生永久变形，使井径扩大，但不会产生垮塌。并不像火药爆炸后，有延迟性能，对井壁作用时间较长，冲击波逐渐、缓慢作用在井壁上，使地层有时间产生应力应变，从而会造成井壁垮塌;②根据ANSYS仿真软件分析, 爆炸扩孔后，裸眼井的直径也逐渐增大且在30 μm左右达到最大，随后岩层在弹性作用下回弹，但60 μm后几乎不再变化。本爆炸扩孔作用时间在60 μs左右，远小于30 ms，故不会产生垮塌;③现场证明井下爆炸不会造成井壁的垮塌。中石化集团公司基金项目“钻井井下爆炸堵漏技术的研究”(编号：JP13016)中，共现场应用7口井，爆炸后钻具均能顺利起出，说明无明显的井壁垮塌现象。从XJX1井爆炸扩孔试验来看，爆炸扩孔后井壁也未垮塌。爆炸扩孔后，上提及下探钻具均没有遇阻挂卡显示，同时，井径测量顺利，无遇阻挂卡显示；在测完井径后，距爆炸扩孔时间已过去20 h，下钻探到990 m，也没有遇阻显示，也证明了井下爆炸扩孔不会造成井壁的垮塌现象，爆炸后几乎不形成垮塌碎屑物。

四、结论与认识

(1)理论研究和井下试验表明,应用聚能扩孔弹爆炸产生的爆轰波对井壁实现扩孔是可行的。XJX1井的井下爆炸扩孔试验，扩孔率达12.84%，大于10%的预期目标。

(2)井下爆炸扩孔技术不会造成井壁的垮塌，爆炸后几乎不形成垮塌碎屑物。

(3)XJX1井的爆炸扩孔井段为塑性地层，扩孔率满足要求。硬脆性地层抗剪切能力差、吸收能量的能力有限，直接作用在地层上，硬脆性地层扩孔效果会更好。

(4)目前井下爆炸扩孔技术一次扩孔长度能实现3 m，不能满足一次长井段扩孔需求，但通过下井爆炸扩孔管串的最大长度、各根爆炸扩孔器连接方式的深入研究，一次爆炸扩孔长度达到30～50 m是可以实现的，对深部地层的扩孔作业及井下复杂情况处理具有参考意义。在今后的研究中，还需考虑成本等综合因素，对该技术进一步作出评价，更好地满足石油钻井的各种扩孔需求。