李云,杜明章,雷新華,付代軒,吳煥龍

(四川石油射孔器材有限責(zé)任公司,四川 隆昌 642150)

0 引 言

隨著國內(nèi)外超深井、超高溫井的勘探任務(wù)日益增長,超高溫射孔彈的市場需求也呈逐年上升的趨勢。目前中國射孔彈性能測試主要進(jìn)行地面模擬測試,即將射孔彈與模擬槍管、模擬套管的鋼墊塊組裝后,引爆射孔彈進(jìn)行打靶,量取射孔彈的穿孔深度[1]。這種模擬性能測試的方式與射孔彈井下實(shí)際工況條件存在較大差異,主要表現(xiàn)在模擬槍管與套管之間沒有任何流體介質(zhì),打靶條件為常溫常壓,而這些條件正是影響射孔彈穿深性能的關(guān)鍵因素。因此,射孔彈在井下的性能表現(xiàn)與地面測試性能往往存在巨大差異,并不能真實(shí)反映射孔彈在高溫高壓作業(yè)條件下的穿深水平[2]。因此,研究超高溫射孔彈在井下高溫高壓條件下的穿靶特性和性能變化規(guī)律,對于設(shè)計(jì)和制造滿足市場需求的超高溫射孔彈,同時為高溫高壓井施工制定更具針對性的解決方案等方面都具有指導(dǎo)意義。

1 高溫高壓穿靶試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

1.1 高溫高壓穿靶試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用的是由四川石油射孔器材有限責(zé)任公司自主建造的高溫高壓試驗(yàn)裝置,該裝置由高溫高壓釜體、氣源系統(tǒng)、超高壓水加壓系統(tǒng)、循環(huán)加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、監(jiān)視測試系統(tǒng)構(gòu)成,能進(jìn)行射孔彈在釜體內(nèi)的高溫高壓穿靶試驗(yàn)。

該系統(tǒng)利用電加熱器對導(dǎo)熱油加熱至試驗(yàn)溫度,通過循環(huán)油泵和管線將導(dǎo)熱油輸送至釜體外層夾層,通過熱傳導(dǎo)對釜體和釜體介質(zhì)(水)進(jìn)行加熱至試驗(yàn)溫度;利用空氣壓力系統(tǒng)作為超高壓系統(tǒng)驅(qū)動壓力,通過超高壓泵往釜體內(nèi)注水加壓至試驗(yàn)壓力,最高能夠達(dá)到210 ℃、200 MPa的試驗(yàn)條件。

利用射孔彈打靶組件,將射孔彈、模擬槍管、模擬套管、試驗(yàn)靶心等裝配好后,下入釜體中加溫加壓,能夠?qū)崿F(xiàn)模擬地層溫度和壓力條件下的射孔彈穿靶試驗(yàn)(見圖1)。

圖1 射孔彈打靶組件示意圖

1.2 試驗(yàn)方案

為研究超高溫射孔彈在不同溫度壓力條件下的穿深特性變化規(guī)律,結(jié)合試驗(yàn)裝置的技術(shù)條件,制定試驗(yàn)方案。

(1) 選用國際射孔彈穿深測試通用的四川砂巖靶為試驗(yàn)靶[3],選用89HNS型超高溫射孔彈為試驗(yàn)彈型,模擬實(shí)際裝槍條件進(jìn)行穿深測試。

(2) 在常壓條件,測試射孔彈在常溫、140 ℃/1 h、180 ℃/1 h、180 ℃/72 h條件下的穿深,考察溫度時間對射孔彈穿深性能的影響。

(3) 在常溫條件下,測試射孔彈分別在常壓、70、105、140 MPa條件下的穿深,考察壓力對射孔彈穿深性能的影響。

(4) 在高溫高壓條件下,測試射孔彈在140 ℃/105 MPa/72 h、180 ℃/105 MPa/72 h、180 ℃/105 MPa/150 h條件下的穿深,考察溫度壓力對射孔彈穿深性能的影響。

(5) 結(jié)合以上實(shí)驗(yàn),對比溫度、壓力對射孔彈的穿深影響,獲得射孔彈穿深性能的變化規(guī)律。

1.3 試驗(yàn)用射孔彈及靶心的技術(shù)參數(shù)

(1) 射孔彈。試驗(yàn)選用89HNS型超高溫射孔彈為試驗(yàn)彈型,并通過批量抽樣后地面打靶測試,計(jì)算出射孔彈的穩(wěn)定性指標(biāo)[4],選用穩(wěn)定性最好的產(chǎn)品批次,以盡可能減少射孔彈穿深穩(wěn)定性給后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。試驗(yàn)選用的射孔彈具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 89HNS射孔彈技術(shù)參數(shù)

(2) 試驗(yàn)靶心。試驗(yàn)選用Φ102 mm×1 000 mm四川砂巖靶心作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)靶,為了使靶心更加符合地層實(shí)際情況,采用水中加壓(18 MPa)的方法使靶心最終達(dá)到水飽和狀態(tài)[3]。試驗(yàn)選用的四川砂巖靶心技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 四川砂巖靶心技術(shù)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

按照試驗(yàn)方案,測試了89HNS型超高溫射孔彈在不同溫度壓力條件下的砂巖靶穿深數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)獲得的穿深數(shù)據(jù)(見表3),繪制出了射孔彈在高溫常壓條件下、常溫高壓條件下以及高溫高壓條件下的穿深變化趨勢圖。

表3 不同溫度壓力試驗(yàn)條件下的射孔彈穿深

2.1 高溫常壓條件對射孔彈穿深性能的影響

由圖2可見,在常壓條件下,隨著溫度和時間的增加,射孔彈的穿深呈現(xiàn)下降的趨勢,但是曲線非常緩和。這是因?yàn)殡S著溫度和時間的不斷增加,炸藥的熱分解效應(yīng)也隨之加速,炸藥分解產(chǎn)生的氣體在射孔彈內(nèi)形成體積膨脹,引起爆壓、爆速、裝藥密度的降低[5],從而導(dǎo)致了射孔彈的穿深降低。但是,當(dāng)?shù)貙訙囟鹊陀谏淇讖椀哪蜏刂笜?biāo)時,炸藥的熱分解效應(yīng)非常緩慢,因此對射孔彈穿深形成的影響較為有限,當(dāng)?shù)貙訙囟雀哂谏淇讖椖蜏刂笜?biāo)時,炸藥的熱分解效應(yīng)加劇,射孔彈穿深將會受到顯著影響,嚴(yán)重時將會導(dǎo)致射孔彈拒爆。

圖2 高溫常壓條件射孔彈的穿深變化

2.2 常溫高壓條件對射孔彈穿深性能的影響

由圖3可見,在常溫條件下,隨著壓力的增加,射孔彈的穿深呈明顯下降趨勢,且受影響的程度要遠(yuǎn)大于溫度所造成的影響。這是因?yàn)殡S著壓力的不斷增加,靶心受壓后孔隙度減小,靶強(qiáng)增大,導(dǎo)致穿深明顯下降;另一方面,在靜水壓條件下,介質(zhì)密度增大,射孔彈形成的高速射流頭部沖擊釜體內(nèi)的水介質(zhì),形成高密度帶,引起水的汽化和壓力擾動,從而大大降低了射流的持續(xù)性,對射流的持續(xù)開孔能力造成了明顯影響。

圖3 常溫高壓條件射孔彈的穿深變化

2.3 高溫高壓條件下對射孔彈穿深性能的影響

由圖4可見,在高溫高壓條件下射孔彈的穿深性能劇烈下降,在接近射孔彈的極限耐溫指標(biāo)的條件下(180 ℃/105 MPa/150 h),射孔彈的穿深數(shù)據(jù)降到最低,穿深性能與地面條件測試數(shù)據(jù)相比,下降幅度達(dá)到69.2%。這是因?yàn)樵陂L時間的高溫條件下,炸藥熱分解效應(yīng)持續(xù)增強(qiáng),炸藥爆轟做功能力大幅減弱,同時靶心在長時間的高溫壓力作用下導(dǎo)致靶強(qiáng)增強(qiáng)[6],加上靜水壓條件下介質(zhì)對射流產(chǎn)生的影響,使得射孔彈的穿深性能產(chǎn)生大幅下降。

圖4 高溫高壓條件下射孔彈的穿深變化

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

(1) 超高溫射孔彈在實(shí)際工況條件下的穿深性能與地面測試性能存在較大差異。

(2) 超高溫射孔彈的穿深性能隨井下溫度的升高和施工時間的延長而逐漸降低,但是當(dāng)井下溫度低于超高溫射孔彈的耐溫指標(biāo)(200 ℃/48 h,192 ℃/100 h)時,這種影響效應(yīng)非常有限。

(3) 超高溫射孔彈的穿深性能受工況壓力的影響要明顯大于溫度的影響,地層和井筒壓力越大,穿深越低。

(4) 在最能反映地層實(shí)際射孔效能的高溫高壓條件下,超高溫射孔彈的穿深性能受影響最為顯著,在本次試驗(yàn)中穿深下降幅度最高達(dá)69.2%。

3.2 建 議

(1) 超高溫射孔彈在制造過程中,應(yīng)在口部涂封耐高溫封口膠,以減少高溫條件下產(chǎn)生藥柱松動、脫落的風(fēng)險,提高射孔彈的穩(wěn)定性。

(2) 深井超深井射孔施工所采用的射孔彈,由于射孔彈實(shí)際工況條件與地面條件相差很大,應(yīng)該以高溫高壓條件下的檢測穿深數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

(3) 深井超深井射孔施工應(yīng)科學(xué)制定施工計(jì)劃,以盡可能的減少射孔管串在井下的作業(yè)時間,從而達(dá)到提高射孔效能和成功率的目的。

參考文獻(xiàn):

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫管理總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 油氣井聚能射孔器材性能試驗(yàn)方法: GB/T 20488—2006 [S]. 中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),2006.

[2] 彭原平,肖勝彪. 高溫高壓對射孔彈性能的影響 [J]. 測井與射孔,2006,19(1): 61-65.

[3] 國家發(fā)展和改革委員會. API RP 19B油氣井射孔器評價的推薦作法 [S]. 中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),2006.

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫管理總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 油氣井聚能射孔器材通用技術(shù)條件: GB/T 20489—2006 [S]∥中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),2006.

[5] 董經(jīng)利,陳序三. 高溫高壓條件下射孔效能試驗(yàn)研究 [J]. 測井與射孔,2007,20(4): 51-56.

[6] 劉玉芝. 油氣井射孔井壁取心技術(shù)手冊 [M]. 北京: 石油工業(yè)出版社,2000.