動態(tài)負(fù)壓射孔作用機(jī)理新認(rèn)識

常鵬剛，王永清，馬飛英，蔣睿，章雙龍

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500）

0 引 言

常規(guī)負(fù)壓射孔工藝技術(shù)應(yīng)用中，部分負(fù)壓射孔效果并不是很理想，特別是在低孔隙度、低滲透率、致密性油氣藏。通過研究發(fā)現(xiàn)，單純的靜態(tài)負(fù)壓并不一定能確保射孔孔眼清潔，其主要原因是常規(guī)靜態(tài)負(fù)壓射孔不能在井筒與地層間快速形成負(fù)壓差，從而影響了孔眼泄流幅度，降低了負(fù)壓射孔效果。為解決這一難題，斯倫貝謝公司提出了動態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)。該技術(shù)在射孔爆轟時，能夠在井筒內(nèi)快速形成負(fù)壓差，瞬間釋放地層能量，使射孔孔眼產(chǎn)生更高的泄流幅度和相對較長的持續(xù)時間，從而有效清除射孔污染，得到更加清潔的射孔孔眼。

除了闡述動態(tài)負(fù)壓射孔的常規(guī)作用機(jī)理，以相關(guān)研究資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用邏輯推理與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，從儲層孔眼周圍應(yīng)力變化和井筒壓力波動2個方面入手，全面闡述動態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)其他可能的作用機(jī)理，為動態(tài)負(fù)壓射孔施工提供理論依據(jù)。

1 基本依據(jù)

國內(nèi)外先前的研究主要集中在動態(tài)負(fù)壓射孔工藝對射孔孔眼周圍壓實(shí)帶的物性改良方面，其觀點(diǎn)主要有2種：①動態(tài)負(fù)壓射孔工藝技術(shù)之所以能夠較大幅度地減小射孔損害，主要是因?yàn)樯淇缀笤诰矁?nèi)快速形成了負(fù)壓差[1－8]，即動態(tài)負(fù)壓，使射孔孔眼產(chǎn)生了幅度更高、持續(xù)時間更長的泄流，從而有效清除射孔污染，得到更加清潔的射孔孔眼；②起爆射孔階段，由于巖石孔隙壓力的瞬間降低導(dǎo)致孔道周圍巖石發(fā)生剪切或張性破碎[9－11]，形成了微裂縫網(wǎng)，提高了射孔孔眼壓實(shí)帶滲透率。

基于以上2種基本作用機(jī)理，對動態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)進(jìn)行研究，對動態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)的基本機(jī)理形成了新認(rèn)識，能夠更合理、更全面地解釋動態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)能夠形成更加清潔的射孔孔眼的原因。

1.1 聚能射孔彈氣體損害研究

國內(nèi)外以前有關(guān)聚能射孔器射孔損害機(jī)理的研究認(rèn)為，聚能射孔器造成儲層傷害的主要原因是聚能射孔彈爆轟產(chǎn)生的金屬射流在巖石表面進(jìn)行造孔的同時，在射孔孔眼周圍形成了一層一定厚度的壓實(shí)帶，該壓實(shí)帶具有高孔隙度低滲透率的特征，從而嚴(yán)重影響了油氣井產(chǎn)能和注入井的注入效率[11]。有學(xué)者認(rèn)為，爆轟之后的殘留氣體膨脹也是造成射孔損害不可忽視的原因之一[12]。射孔爆轟之后，井筒壓力在短短幾毫秒內(nèi)上升到將近65MPa。但是，該觀點(diǎn)只停留在爆轟氣體膨脹造成射孔損害的宏觀層面，沒有進(jìn)一步闡明爆轟氣體造成儲層傷害的微觀機(jī)理。

1.2 聚能射孔彈射流侵切理論

射流對靶板的侵切過程通常稱為破甲過程。該過程可以分為3個階段：開坑過程、準(zhǔn)定常過程和終止過程[13]。

（1）在開坑階段，射流頭部高速碰撞靜止的靶面，在界面處形成高溫、高壓、高應(yīng)變率的三高區(qū)。從碰撞點(diǎn)向靶內(nèi)和射流中分別傳入沖擊波，靶板自由面在稀疏波的作用下發(fā)生崩裂，靶板材料和射流殘?jiān)w濺。該階段產(chǎn)生的孔深很小，形似口袋。

（2）在準(zhǔn)定常階段，后續(xù)射流對處于三高區(qū)狀態(tài)的靶板繼續(xù)進(jìn)行侵切。射流接觸的靶面已經(jīng)有速度，界面壓力顯著降低。由于射流下降不快，侵切過程中侵切速度和孔徑變化不大，基本與侵切時間無關(guān)，可以看作準(zhǔn)定常過程，大部分孔道屬于該階段，為射流侵切的主要過程。

（3）在終止階段，隨著射流速度的逐漸降低，靶材強(qiáng)度影響逐漸增加。同時由于射流速度低，擴(kuò)孔能力下降，后續(xù)射流推不開前方射流與靶板碰撞產(chǎn)生的殘?jiān)?，射流作用在殘?jiān)?，而不是作用在靶板的底部，影響了射流的侵切，從而?dǎo)致射流侵切過程停止。

通過對射流造孔的3個階段分析得出，當(dāng)聚能射孔彈形成的射流不足以推開前方射流與靶板碰撞產(chǎn)生的殘?jiān)鼤r，射流將直接作用于殘?jiān)希欢?dāng)此時的射流頭部壓力又高于地層壓力時，致使射孔殘?jiān)驂簩?shí)帶孔道和裂縫轉(zhuǎn)移，造成壓實(shí)帶滲透率傷害。

1.3 動態(tài)負(fù)壓值的大小與初始井筒壓力的關(guān)系

國外學(xué)者認(rèn)為，消除射孔損害與最大動態(tài)負(fù)壓和瞬態(tài)泄流直接相關(guān)，而與初始井筒壓力無關(guān)[14]，但是，中國學(xué)者通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，動態(tài)負(fù)壓值的大小卻與井筒初始壓力密切相關(guān)[15－16]。國外的研究結(jié)果與中國的試驗(yàn)結(jié)論相沖突唯一的原因就是動態(tài)負(fù)壓射孔的作用機(jī)理還不夠完善。

2 動態(tài)負(fù)壓射孔作用機(jī)理新認(rèn)識

2.1 井筒動態(tài)環(huán)境對減小射孔損害的作用機(jī)理

按照能量守恒原理，能量不會憑空消失，它只能以做功和熱交換的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)移。對常規(guī)負(fù)壓射孔，殘余爆轟能量除了以熱交換、射孔管串震蕩轉(zhuǎn)移少許能量之外，則主要以氣體膨脹的方式對射孔液做功，使射孔液在該能量的作用下出現(xiàn)向地層“倒流”的現(xiàn)象，進(jìn)而將射孔孔眼中的部分射孔殘?jiān)鼛氲貙樱瑩p害儲層滲透率。所以，在某些情況下，常規(guī)負(fù)壓射孔是在已造成儲層滲透率傷害的前提下才進(jìn)行孔眼返排清洗的。常規(guī)靜態(tài)負(fù)壓射孔對爆轟殘余能量的消化是以被動的方式進(jìn)行的。而動態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)恰恰相反，在爆轟射孔時，泄壓腔將對殘余爆轟能量起到一個主動緩沖作用，使井筒壓力盡量一直處于負(fù)壓狀態(tài)，不會出現(xiàn)所謂的“倒流”現(xiàn)象，從而延長了孔眼泄流的持續(xù)時間，有效減小了射孔損害。動態(tài)負(fù)壓射孔井筒動態(tài)如圖1所示。

除此之外，井筒動態(tài)環(huán)境還存在以下3個方面的作用機(jī)理。

圖1 動態(tài)負(fù)壓射孔時井筒壓力隨時間的變化曲線

（1）射孔液在環(huán)空中的高流速，改變了低能氣體（射流）在井筒壁上的作用點(diǎn)，減小了低能射流損害。射孔彈起爆后，泄壓裝置同時打開，射孔液會在井筒壓力或自身重力的作用下向下流動，在射孔管串上部由于環(huán)空間隙較大，所以流動速度相對較小，而在射孔管串段，由于環(huán)空間隙較小，流速可能非常大。在射流的終止階段，由于射孔液的高流速會使射流靶點(diǎn)向下偏移，縮短了殘余低能射流與射孔殘?jiān)慕佑|時間，不僅降低了射孔殘?jiān)秩雺簩?shí)帶裂縫或者孔隙的幾率，而且也降低了地層流體的返排阻力，提高了孔眼泄流幅度，最大限度地將射孔殘?jiān)鼛С隹淄?，減小對壓實(shí)帶滲透率的損害，提高了射孔孔眼流動效率（見圖2）。

圖2 動態(tài)負(fù)壓射孔作用機(jī)理示意圖

（2）射孔管串與套管之間的高流速誘發(fā)了孔眼泄流。當(dāng)射孔液高速流過射孔孔眼時，會在孔眼處形成一個相對較小的負(fù)壓（水力射流泵原理），增大了地層與井筒之間的壓力差，從而產(chǎn)生幅度更大、持續(xù)時間更長的泄流，較好地清潔了射孔孔眼，改善了壓實(shí)帶滲透率。

（3）在一個合適的范圍內(nèi)，隨著井筒射孔段初始壓力增大，以上2個方面的作用效果更加明顯。由于井筒初始壓力的增大，最終體現(xiàn)為射孔液當(dāng)量密度的增加，所以隨著井筒初始壓力增大，單位體積射孔液質(zhì)量增加，從而其重力增加，在泄壓面積一定的情況下，這不僅會增大作用在低能氣體（射流）上的作用力，而且還會增大泄流啟動加速度，增強(qiáng)以上2方面的作用效果。

通過以上論述，也可以解釋在掏空井筒的情況下也無法達(dá)到理想的射孔效果的原因。掏空井筒并不意味著沒有壓井液存在，只不過它是以氣相—空氣的形式存在，井筒初始壓力應(yīng)為0.1MPa。

2.2 射孔孔眼周圍巖石物性的改變對減小射孔損害的作用機(jī)理

（1）地層流體返排清洗對減小射孔損害的作用機(jī)理。一般情況下，儲層本身含有大量的、可移動的微小顆粒（見圖3）。起爆射孔時又會粉碎部分巖石顆粒，形成壓實(shí)帶，使孔眼周圍微小顆粒的百分含量更高（見圖4）。儲層滲透率傷害概率變得更大。動態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)能夠在井筒中快速形成負(fù)壓差，使地層能量透過射孔孔眼以流體返排的形式得到瞬間釋放。在井筒與地層之間壓力差增大期間，泄流流量將逐漸增大，從而對儲層巖石（尤其是壓實(shí)帶）孔隙及裂縫表面的沖刷作用也不斷增強(qiáng)，進(jìn)而將侵入孔隙及裂縫內(nèi)部的微小顆粒以及部分自生礦物帶出孔隙，解除微小顆粒對孔喉的封堵，提高孔眼周圍巖石的滲透率。同時，將射孔孔道內(nèi)的射孔殘?jiān)苑诌x的方式逐漸帶出射孔孔道，提高了有效孔眼的個數(shù)。

圖3 射孔之前的儲層狀況

圖4 射孔之后的儲層及孔眼周圍的狀況

（2）剪切作用形成的微裂縫網(wǎng)對減小射孔損害的作用機(jī)理。在起爆射孔時，孔眼周圍巖石的應(yīng)力平衡瞬間遭到破壞。在地應(yīng)力作用下，使射孔孔眼周圍產(chǎn)生微裂縫網(wǎng)（見圖5），從而大幅提高射孔孔眼周圍壓實(shí)帶的滲透率。

圖5 剪切應(yīng)力使孔眼周圍產(chǎn)生裂縫

地應(yīng)力不平衡導(dǎo)致巖石出現(xiàn)微裂縫，直接降低了射孔孔眼周圍巖石的強(qiáng)度，在地層流體返排清洗階段，隨著泄流幅度的持續(xù)增加，可能造成孔眼周圍巖石坍塌，減小射孔壓實(shí)帶的厚度，增大了射孔孔眼直徑（見圖6），從而提高了孔眼流動效率。與斯倫貝謝公司P.Bolchover和I.C.Walton等2位專家的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，即動態(tài)負(fù)壓射孔使射孔孔眼擴(kuò)大相當(dāng)吻合。

圖6 坍塌造成射孔孔眼擴(kuò)大

只有從井筒能量轉(zhuǎn)移和儲層物性變化2個方面著手，才能更加深刻的理解動態(tài)負(fù)壓射孔作用機(jī)理的本質(zhì)。作用機(jī)理的主次之分與儲層物性、射孔液性能、降壓器械性能密切相關(guān)。

3 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

由表1可知，在初始壓力一致的前提下，隨著動態(tài)負(fù)壓值增大，巖心流動能力增強(qiáng)，儲層滲透率傷害程度減輕。但是，第2組數(shù)據(jù)稍有波動，說明控制孔眼清潔程度的因素并不僅僅只是動態(tài)負(fù)壓的幅度，還有動態(tài)負(fù)壓變化的時間，即動態(tài)負(fù)壓射孔時評價孔眼清潔程度的指標(biāo)應(yīng)該是動態(tài)負(fù)壓變化率。而且動態(tài)負(fù)壓變化率越大，孔眼越清潔，壓實(shí)帶滲透率與儲層原始滲透率的比值也越大。

從表1中的后2列數(shù)據(jù)也可以看出，動態(tài)負(fù)壓射孔時，壓實(shí)帶不可辟免的存在，但是，其流動效率卻很高，這不僅說明大量的射孔殘?jiān)呀?jīng)被帶出孔外，而且在動態(tài)負(fù)壓射孔時，還可能有次生裂縫生成。

表1 單發(fā)射孔試驗(yàn)巖心分析結(jié)果

在射孔槍類型、射孔彈類型、孔密、初始負(fù)壓相同的情況下，也即在相同的槍套間隙下，隨著槍身裝藥量的增加，動態(tài)負(fù)壓變小（見表2）。在該前提條件下，裝藥量的增加也可以等同于同等情況下槍套間隙的減小，導(dǎo)致射孔液作用于膨脹氣體上的力減小，使井筒壓力變化放緩，動態(tài)負(fù)壓幅度降低。這支持了有關(guān)井筒動態(tài)對減小射孔損害的觀點(diǎn)。

表2 工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)1

分析表3中的數(shù)據(jù)可知，在相同的射孔槍類型、射孔彈類型、孔密、裝藥量情況下，隨著初始壓力的增大，動態(tài)負(fù)壓幅度增強(qiáng)，這與增大初始負(fù)壓使井筒動態(tài)作用增強(qiáng)的結(jié)論完全一致。

表3 工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)2

在現(xiàn)場施工中選擇了4口井進(jìn)行了動態(tài)負(fù)壓射孔試驗(yàn)，試驗(yàn)測試結(jié)果見表4。分析表明，4口井射孔表皮全部表現(xiàn)出了超完善井的特征，這說明在動態(tài)負(fù)壓射孔時，射孔孔眼有所擴(kuò)大或者射孔孔眼周圍形成了微裂縫網(wǎng)。

表4 實(shí)際施工井測試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

（1）常規(guī)靜態(tài)負(fù)壓射孔以被動的方式消化殘余爆轟能量，而動態(tài)負(fù)壓射孔則會對殘余爆轟能量起到一個主動地緩沖作用。

（2）射孔液在環(huán)空中的高流速改變了低能氣體（射流）在井筒壁上的作用點(diǎn)，縮短了殘余低能射流與射孔殘?jiān)慕佑|時間，降低了儲層傷害幾率和地層流體返排阻力。

（3）射孔管串與套管之間的高流速在射孔孔眼處形成了水力射流泵原理，誘發(fā)了孔眼泄流。

（4）在一個合適的范圍內(nèi)，隨著井筒射孔段初始壓力增大，（2）和（3）兩方面的作用效果更加明顯。

（5）地應(yīng)力不平衡導(dǎo)致巖石出現(xiàn)微裂縫，降低了射孔孔眼周圍巖石的強(qiáng)度，在地層流體返排清洗階段，隨著泄流幅度的持續(xù)增加，造成了孔眼周圍巖石坍塌，減小了射孔壓實(shí)帶的厚度，增大了射孔孔眼直徑，提高了流動效率。

（6）在動態(tài)負(fù)壓射孔中，井筒殘余爆轟能量轉(zhuǎn)移與儲層物性改良等2個方面作用機(jī)理的主次之分與儲層物性、射孔液性能、降壓器械性能密切相關(guān)。

（7）工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，動態(tài)負(fù)壓作用機(jī)理由井筒動態(tài)影響和儲層巖石物性改良2個方面組成，且二者互為補(bǔ)充。

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