超高温条件下射孔弹优选及关键参数优化

肖 波 ,孙龙波,刘贤玉,邓华根,谢茂成

(1.中海石油(中国)有限公司海南分公司,海口 570100;2.中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东 湛江 524057;3.海油发展(澄迈)能源技术有限公司海南分公司,海口 570100)

文昌某油气田平均孔隙度为6.4%～15.5%,平均渗透率为0.27～22.33 mD,储层物性差,属于中低孔、中低渗-特低渗储层。射孔技术沟通储层与生产通道,是该油气田释放产能的有效途径,但气藏埋藏深达4 000 m、井底最高温度达160 ℃,射孔火工品选择受限,下井器材的耐温性能,特别是下井火工品必须符合高温标准。国际高温高压井协会对于井底温度大于150 ℃、井底压力高于70 MPa称为高温高压井,井底温度大于175 ℃、井底压力大于105 MPa为超高温高压井[1],目前耐热型炸药主要有六硝基茋(HNS)、二苦氨基二硝基吡啶(PYX)、2,6—二氨基-3,5-二硝基吡-1-氧化物(LLM-105)等,均可耐温175 ℃以上[2-7],选择耐温效果好、穿孔性能佳的火工品对射孔的安全性和可靠性以及高温高压乃至超高温高压油气藏的开发至关重要。

目前对于射孔弹打靶测试主要为地面常温常压下模拟测试[8-9],与井下实际的温度压力条件有着较大差异,无法真实反映射孔弹在井下实际工况下的射孔效果[10],为此,通过在220 ℃下,保温2 h,压力20 MPa条件下开展射孔弹模拟装枪穿柱状API混凝土靶的性能实验,优选出符合地层超高温环境的射孔弹弹型及药剂,从而指导现场生产,最终达到提高油气产量的目的,这对于后续超高温井射孔方案的制定和实施具有十分重要的意义。

1 射孔弹打靶实验

1.1 实验装置

实验装置如图1、图2所示,通过超高温射孔实验装置进行相关实验,超高温雷管、超高温传爆管、超高温导爆索均由正规厂家生产制造,耐温指标均为220 ℃/48 h,满足实验要求。

注:1-枪壁厚;2-炸高;3-固定杆;4-调节环;5-导爆索;6-弹座;7-压盘;8-射孔弹。

注:1-试验射孔器;2-柱状API混凝土靶。

实验前将模拟射孔枪、射孔弹弹座、超高温射孔弹、超高温导爆索、超高温雷管等部件按照要求进行装配,其中射孔模拟枪身厚度为5 mm,模拟φ139.7 mm套管厚度为7.72 mm,φ177.8 mm套管厚度为11.51 mm,套管之间的间隙可由压盘与靶套之间的垫片进行调整。

1.2 实验材料

1)射孔弹。实验选用了89型、127型射孔弹,实验过程中枪内炸高根据厂家射孔弹装枪计算确定,同种类型的射孔枪采用相同的套管间隙,射孔弹参数及装枪用炸高,如表1所示[10]。超高温射孔药剂选用目前最常用的PYX、HNS以及LLM-105,弹药基本参数如表2所示,其中PYX与LLM-105药剂温度特性较为接近,HNS药剂的温度特性较低[11-14]。

表1 射孔弹参数及装枪炸高

表2 弹药基本参数

2)柱状混凝土靶。依据API-RP-19B标准[15]制作柱状混凝土靶,靶龄34 d,抗压强度45.2 MPa,射孔实验前通过回弹仪、超声波混凝土检测仪监测混凝土靶的强度,判断其是否符合实验标准。

1.3 实验流程

实验过程主要包括模拟射孔器装配、下入高温高压模拟井、加温加压、保温、加压起爆、降温降压、升井拆靶等步骤。射孔器下到模拟井后,通过控制系统对模拟井进行加温,当温度超过100 ℃后模拟井内逐步产生压力,此后压力随着温度的上升而逐步达到10 MPa左右,当温度达到220 ℃后进行2 h的保温,保温2 h后将模拟井内压力升至20 MPa时点火起爆,随后开始进行泄压降温直至100 ℃以下。当模拟井内的温度下降到100 ℃以下时将射孔器从模拟井内取出,然后将射孔器与测试靶拆开运输到测量场地,最后将测试靶的靶套拆除。拆除靶套之后,将测试靶沿裂缝刨开进行穿孔深度和套管穿孔孔径测量。

2 实验结果分析

2.1 89型超高温射孔弹性能对比实验

将89型射孔弹在温度220 ℃、压力20 MPa的条件下进行实验,实验结果如图3、图4所示,同时用89型 LLM-105射孔弹对φ177.8 mm套管开展射孔实验,实验结果如图5所示。

图3 HNS超高温射孔弹穿φ139.7 mm套管实验结果Fig.3 Experimental results of HNS ultra-high temperature perforating bullet penetration φ139.7 mm casing

图4 LLM-105与PYX超高温射孔弹穿φ139.7 mm实验结果Fig.4 Experimental results of LLM-105 and PYX ultra-high temperature perforating bullet penetration φ139.7 mm casing

图5 LLM-105超高温射孔弹穿φ177.8mm套管实验结果Fig.5 Experimental results of LLM-105 ultra-high temperature perforating bomb penetrating φ177.8 mm casing

在220 ℃/2 h,20 MPa条件下, LLM-105装药的射孔弹性能优于PYX装药的射孔弹和HNS装药的超高温射孔弹;89型超高温射孔弹在同等试验条件下,HNS射孔效果最差,LLM-105射孔弹较国内PYX射孔弹,穿深提高19.2%,孔径提高33%; 较国外HNS射孔弹,穿深提高42%,孔径提高30%,对比结果如表3所示。

表3 89型超高温射孔弹对比实验结果

2.2 127型超高温射孔弹性能对比实验

为了进一步研究在超高温条件下LLM-105的穿孔效果,用127型超高温射孔弹继续开展相关实验,射孔弹利用相同的压制工艺,实验结果如图6所示。

图6 127型超高温射孔弹穿φ177.8mm套管对比实验结果Fig.6 Comparative experiment results of 127 type ultra-high temperature perforating bomb penetrating φ177.8 mm casing

127型超高温射孔弹在同等试验条件下,LLM-105在装药量少的情况下,较PXY射孔弹,穿深提高32.4%,孔径提高5%,穿孔效果好。LLM-105装配在127型超高温射孔弹中相比于89型射孔弹,穿深提升了128%,套管孔径提高了4.8%,对比实验结果如表4所示。

表4 127型超高温射孔弹对比实验结果

射孔效果的好坏很大程度上是根据弹药的破甲威力而定的,主要因素为爆压,其随着装药密度和爆速的平方呈线性增长。实验过程中采用的LLM-105的爆速和密度均最大,在其他条件相同的情况下其穿透性能更强,与实验结果相一致,实验过程稳定性较好,满足现场使用的相关要求。

3 射孔关键参数优化

为了提高LLM-105装药的射孔弹的穿透性能[16-18],以其中一口井A2井为例,井身结构为φ664 mm×252.33 m+φ473.075 mm×340 m+φ339.725 mm×1 800 m+φ244.475 mm×3 978 m。该井目的层位于珠海组,珠海组各段砂岩储层物性随埋深增大而变差,均属于中-低孔、低渗储层,平均孔隙度为6.4%～15.5%,平均渗透率为0.27～22.33 mD,其中ZH1Ⅴ下气组属于中孔、中渗储层,ZH2Ⅰ、Ⅲ气组属于低孔低-中渗储层,ZH2Ⅶ气组属于低孔低渗储层。结合地质参数,通过射孔优化软件Wellflo对射孔参数进行敏感性分析计算,对孔密、孔径等射孔参数进行优化,结果如图7所示,可以看出,孔密大于30 spm时对产能影响较小;穿深大于400 mm时对产能影响较小;相位对产能影响较小,但为了保证射孔后套管保持较高强度,选择相位45°/135°;孔径大于等于10 mm时对产能影响较小。在现场施工射孔抢装枪作业中,根据地质条件模拟结果,合理调整孔密、孔径以及相位等参数,极大地释放了产能,射孔后A2井产量为配产的2倍。

图7 A2井射孔参数优选Fig.7 Optimization of perforation parameters in well A2

4 结论

1)同种条件下,LLM-105装药的超高温射孔弹性能优于PXY装药和HNS装药的超高温射孔弹;对于89型射孔弹和127型射孔弹,LLM-105的穿深和套管射孔孔径都有很大提升,具有优良的射孔效果,相较于89型射孔弹,127型射孔弹的穿透效果较好。

2)LLM-105射孔弹具有枪上孔眼小、套管孔径大的特点,这样在射孔作业过程中,过油面积大,枪内碎屑不易从枪眼中出来,不易造成卡枪事故以及减少对井筒的污染。

3)射孔效果除了与弹药类型有关,还与射孔枪枪型、射孔枪的孔密等相关因素有关,对相关参数进行优化,施工过程中合理调整,是提升超高温低渗储层射孔完井效果有效途径,这对于超高温低渗油气藏安全高效的开发具有十分重要的意义。