自清洁动态负压射孔技术研发及应用

杜杲阳，徐立前，张虎，田波，王朝辉，李明飞

1.广东南油服务有限公司天津东疆保税港区分公司（天津 300456）

2.中海石油（中国）有限公司深圳分公司（深圳 518067）

3.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部深圳作业公司（深圳 518067）

4.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部塘沽作业公司（天津 300308）

5.西安石油大学机械工程学院（陕西西安 710065)

0 引言

应用射孔器材的首要目的是提供套管井或裸眼井与储层之间的有效流体流动通道。为了获得这样的通道，射孔器射出一组孔眼，穿过套管和水泥环进入储层[1-3]。储层流体通过这些孔眼流出的难易程度取决于一些相互影响的复杂因素，孔眼内杂质越少，储层流体流出越容易，油井产能越高。但形成孔眼的射孔过程会损害油气层，储层流体流出越困难，油井产能越低。射孔表皮系数[4]被用以描述射孔对油气层的伤害程度，它的影响因素主要有：孔眼几何形状、射孔环境和地层性质。孔眼几何形状一般用射孔密度、相位角、孔眼穿透深度及直径这4个参数描述[5]，而这些参数很大程度上是由操作人员控制的。射孔环境如图1 所示，由于钻井和固井作业中的泥浆侵入，或者地层被细小的颗粒堵塞，井眼周围会出现渗透率减小的区域。另外，由于泥浆的侵入作用，射孔孔眼周围会出现一个渗透率下降的区域。负压射孔或动态负压射孔可以在较大程度上增加孔眼清洗作用。地层性质是指地层物理性质和原状地层应力条件，会对射孔器穿透深度与孔眼周围地层压裂的程度和范围造成影响。地层渗透率和流体性质很大程度上决定了流过孔眼的流体有效清洁孔眼所需要的压差能级。

图1 射孔孔眼周围示意图

聚能射孔爆轰形成的金属射流会在形成孔道的同时形成射孔破坏区域（压实带），射孔破坏区域是射孔损害最重要的部分，包括粉碎区、颗粒压缩区和渗透率下降区。在靠近射孔孔眼3～5 mm 处，会形成压实带，渗透率大幅降低；在射孔孔眼周围10 mm处，会形成渗透率约为原始渗透率7%～20%的破碎压实带区。聚能射孔会使地层的平均表皮系数增大，直接导致射孔井的产能降低[6-8]。

为解决聚能射孔爆轰会形成压实带，进而损害油气层这一问题，近年来研究学者提出了复合射孔、动态负压射孔等工艺[9-10]，均取得了较好的效果，但由于射流冲击压力巨大，压实带解除效果一般；同时随着配套器材的增加，也相应增加了射孔作业的费用、难度和风险。新型自清洁射孔技术则消除了它的影响：在金属射流形成孔眼的同时，含能材料会随即在孔道内发生反应，从而产生大量的热量和气体，这些热量和气体会快速流向井筒内部，在将孔道内杂质携带清除的同时，会在孔道末端形成裂缝，达到清洁射孔并提高导流能力的目的[11-12]。

1 动态负压射孔技术的实现原理

动态负压射孔技术是一种射孔后瞬间在井筒内形成相对负压的方法，在射孔后降低井筒压力，产生动态负压差，形成流向井筒的快速回流，以此冲洗孔道及压实带，解除射孔污染。动态负压射孔与常规射孔压力-时间（P-T）曲线对比如图2所示。通过在射孔过程中形成合理的动态负压值，可以使井筒内动态负压持续时间增长[13-14]，以此更好地清理孔道内的杂质，从而实现储层与井筒更好地流通，大幅降低近井带区域的渗透几率。

图2 动态负压射孔与常规射孔压力-时间（P-T）曲线对比图

自清洁射孔技术则是采用自清洁射孔弹射孔，射孔弹采用的是含能材料药型罩,射孔射流示意图如图3 所示。射孔弹爆轰形成金属射流，在油气层内侵彻出孔道的数毫秒内，含能材料在孔道内发生二次爆炸，释放大量的热量和气体，使孔道内压力增大，这些热量和气体会快速流向井筒内部，以此对压实带进行冲洗[15]，改善压实带地层特性，同时清除孔道内的岩石碎屑和金属粉末，并在孔道末端形成裂缝，提高孔道导流能力。

图3 自清洁射孔弹射流示意图

将常规射孔弹和自清洁射孔弹进行贝雷砂岩靶流量测试对比实验，两种射孔弹射孔孔道如图4 所示。由图4可见，与常规射孔弹相比，自清洁射孔弹射孔孔道内未见明显碎屑，孔道更加清洁，孔道末端有明显枝状裂缝，孔道孔容明显增加，孔道流量更大。

图4 常规射孔弹与自清洁射孔弹射孔孔道对比图

“动态负压+自清洁”射孔实现了对射孔孔道的二次抽吸，消除了射孔压实，大大降低了对地层的伤害。同时具有以下优点：

1）“动态负压射孔+自清洁”射孔器将更加充分地解除射孔压实及清洁弹道，解决因射孔压实伤害在总表皮的高负面权重。

2）该工艺方法风险小（负压自清洁射孔降低液面的井喷风险，动态负压液面安全范畴更广），投入相对较小，油气井产能效果好。

2 自清洁射孔弹的研制

2.1 自清洁射孔弹的结构设计

射孔弹主要由3部分组成：金属壳体、药型罩和高能炸药，如图5 所示。聚能装药结构设计是深穿透射孔弹研究过程中的一个重要环节。当装药结构确定之后，射孔弹内腔形状和几何尺寸、药型罩开口口径和外锥角、装药量和炸药的分布，甚至炸高都随之确定。因此，装药结构的研究一直是射孔弹研究过程中首先考虑的关键问题。提高炸药有效利用率是设计装药结构的主旨，同时结合深穿透的要求，考虑药型罩的具体几何形状、顶部装药量以及有效药量，达到提高射流头部速度的目的。

图5 射孔弹主要部件

聚能药型罩是射孔弹的核心部分，射孔爆轰时形成金属射流侵彻出孔道，其结构将直接影响金属射流的形态以及侵彻效果。在设计时，主要应确定药型罩几何形状、锥角、壁厚以及合适的材料和压制成型工艺。在药型罩的结构上需根据射流梯度进行合理设计，该自清洁射孔弹采用独特的装药结构，提高了射孔弹的聚能效果；采用特殊多锥药型罩形状，提高了射孔弹的射流速度和速度梯度，改善了射孔弹的侵彻效果。

2.2 自清洁射孔弹的试验效果及分析

为验证自清洁射孔弹射孔效果，进行自清洁射孔弹与常规深穿透射孔弹砂岩靶地面对比实验。自清洁射孔弹型号SDPR45RDX39-2，药型罩中添加两种释能材料，装药量39 g。测试起爆后砂岩靶中压力-时间（P-T）曲线，如图6所示。由图6可见，自清洁射孔弹不仅在爆炸初期产生了一个高的压力峰值，还在一定间隔时间后形成了一次低的压力峰值，而这一低的压力峰值则是二次反应回涌导致的。

图6 起爆后压力-时间（P-T）曲线

表1为常规深穿透射孔弹与自清洁射孔弹射孔参数对比，图7 为常规深穿透射孔弹与自清洁射孔弹孔道对比图。对图7中常规深穿透射孔弹与自清洁射孔弹穿深、流量及孔容进行测量，测量结果见表1。由表1可见，SDPR自清洁射孔相比常规射孔，射孔孔道更加清洁，射孔后孔道的孔容和流量分别提高了110.9%和17%。

表1 常规深穿透射孔弹与自清洁射孔弹参数对比表

图7 常规深穿透射孔弹与自清洁射孔弹孔道对比图

3 自清洁射孔弹的现场应用

3.1 使用区块的储层岩石和流体特性分析

油田位于中国南海珠江口盆地北部坳陷带西南缘恩平凹陷南部隆起断裂带，主要油层位于韩江组，油层埋深-938.2～-1 569.3 m。储层岩性以长石石英细砂岩为主；砂岩成份主要为石英，以孔隙式胶结类型为主，固结性差，属于疏松砂岩。属于三角洲前缘沉积，储层物性相对较好。测井解释孔隙23.7%～33.7%，渗透率（130.3～1 243.1）×10-3μm2，属于中～高孔隙度、中～高渗透率储集层；泥质含量10%～18%，含量较高。原油性质较差，为高密度、高黏度和低含硫的重质稠油，地面原油密度0.948～0.956 g/cm（320℃），地层原油黏度111.18～277.77 mPa·s。

该井为定向生产井，完钻井深3 232 m，垂深1 235.6 m，水深95 m（平均海平面），如图8所示，油藏高点埋深2 049～2 077m，韩江组；正常压力系数（压力梯度0.97 MPa/100 m）。

图8 南海某井井身结构示意图

3.2 自清洁射孔工艺设计及射孔器材选择

1）自清洁射孔工艺设计。采用自清洁射孔技术+电缆动态负压射孔，P-T监测仪实时监测。根据地层GR 曲线进行校深定位；电缆射孔管串：电缆头GRCCL电缆点火头射孔枪动态负压枪P-T 监测仪。

2）射孔器材选择。射孔参数选择：①自清洁型射孔弹：最大限度的降低射孔压实，提高射孔效果。②深穿型透弹：孔眼稳定好，穿透污染带，发挥油层本身的渗流能力。③较大孔径型射孔弹：增大流通面积，减小压降。

根据244.475 mm(95/8″)套管以及井温，火工品采用常温等级及以上火工品。射孔枪：选用177.8 mm(7″)射孔枪，40 孔/m，相位45°/135°。射孔弹：选用177.8 mm(7″)常温自清洁射孔弹SDPR45RDX39-2，药型RDX 装药量39 g；穿深1 384 mm，孔径10.7 mm，耐温120 ℃/48 h。导爆索：选用常温导爆索（80RDX XHV）；0.26 谷/mm（80 谷/英 尺）；耐 温120 ℃/48 h。

3.3 自清洁动态负压射孔技术应用效果

在射孔段2 616～3 142.3 m，段内分3层射孔，3趟电缆，共实射5.3 m，射孔参数见表2。

表2 自清洁动态负压射孔参数表

以层位1为例，由图9、图10及表3可以看出，自清洁动态负压射孔负压作用明显。①射孔层位静压29.7 MPa，射孔弹爆轰最高压力49.7 MPa，自清洁产生的微压裂及清洁孔道最高压力19.9 MPa，动态负压最低点压力值9.7 MPa，最大负压差18.2 MPa。②动态负压作用从射孔起爆后爆轰压力达到最高峰值时间18 632 910 ms（5 h 10 min 32 s 910 ms）后3 ms（18 632 913 ms）开始产生，符合动态负压做功的有效时间段（100 ms 以内），动态负压持续时长585 ms。③射孔弹爆轰最高点与自清洁射孔做功最高点时差31 ms。④温度场变化情况：射孔后温度从124.15 ℃升至125.35 ℃，后随射孔枪上提而下降,持续时间250 s。

表3 层位1压力温度曲线数据分析表

图9 层位1压力-时间曲线

图10 层位1温度-时间曲线

3.4 曲线数据分析表

该技术成果在南海东部油井开发射孔中首次应用一举成功。数据表明，自清洁射孔和动态负压作用明显，该井自清洁产生的微压裂及清洁孔道最高压力19.9 MPa，动态负压最低点压力值9.7 MPa，最大负压差18.2 MPa，动态负压持续时长585 ms。措施前日产液5 300 桶（1 桶=0.159 m3），含水91%，日产油470 桶；措施后日产液5 400 桶，含水85.5%，日产油787桶，作业效果明显。

4 结论与建议

1）自清洁射孔技术的形成不依赖岩石类型的干净的、开放射孔孔道，每个射孔孔道进行自己的清洁行动，独立于其他射孔，造成接近100%孔道清理并在油藏和井筒之间形成一个理想的通路。而动态负压射孔技术在射孔后数毫秒内形成相对负压，降低了井筒压力，产生动态负压差，从而形成快速冲击回流，冲洗射孔孔道及压实带，消除射孔污染，作用时间长。

2）“自清洁+动态负压”射孔工艺实现了对射孔孔道的二次抽吸，充分解除射孔压实并清洁了弹道，解决了因射孔压实伤害在总表皮的高负面权重问题。

3）该工艺采用自清洁射孔弹，开孔造负压装置，作业简捷、风险小，投入相对较小，提高油气井产能效果好。

4）自清洁动态负压射孔技术在南海油田东部的成功应用，为南海油田常压储层后续的射孔作业提供了数据支撑及技术储备。