非爆擴容射孔技術研究

于開勛, 蔡山, 郭景學, 姜彥東, 張偉民, 馬秀妮

(1.大慶油田有限責任公司試油試采分公司, 黑龍江 大慶 163412; 2.中國石油集團測井有限公司生產(chǎn)測井中心, 陜西 西安 710077)

0　引　言

目前,采用火藥復合射孔[1]解除孔道壓實的方法存在著炸裂槍身卡井、破壞套管或水泥環(huán)強度等隱患;生產(chǎn)常用的復合射孔增效火藥由于受到耐溫指標限制,不能滿足高溫井施工需求,并且在生產(chǎn)、運輸及使用環(huán)節(jié)較常規(guī)器材成本有所增加;另外,受環(huán)境影響,在潮濕、高溫等條件下,火藥性能不穩(wěn)定,存在一定安全風險。研究表明,靠火藥產(chǎn)生的氣體做功難以消除孔道壓實層,靠炸藥產(chǎn)生的爆炸沖擊波是一種間接式的壓力傳遞作用形式,也不能完全解除孔道壓實層。近年來,逐步推廣的動態(tài)負壓射孔、三射流射孔[2]等技術通過改變射孔器組合形式或射孔彈排布方式,見到了一定效果,但增加了工作強度和施工成本。因此,開發(fā)了一種不用火藥解除孔道壓實,提高孔道容積,方便生產(chǎn)管理,降低施工風險及成本的非爆擴容射孔技術。非爆擴容射孔技術采用粉塵顆粒在有限空間(射孔孔道)內(nèi)分散做功的原理,達到精細改造井筒與地層射孔孔道的目的,改善了近井區(qū)域的滲流效果,提高了油氣流采收比。

1　技術原理及特點

試驗研究發(fā)現(xiàn),單靠火藥產(chǎn)生的氣體作用難以消除壓實層,靠炸藥產(chǎn)生的強烈爆炸沖擊波會造成二次壓實與炸槍。因此,一種不用火藥與炸藥,安全實現(xiàn)做功目的的設計理念由此而生。非爆擴容射孔技術采用云爆彈原理[3],在射孔彈口部加裝由高能粒子等材料組成的后效體,借助射孔彈爆炸后產(chǎn)生的渦流場引力,將這些不同粒度的高能離子帶入射孔孔道內(nèi),摧毀影響出油孔道的壓實層。

非爆擴容射孔技術將2個爆炸點分倉進行處理,分別作用于不同目標靶向。第1靶向是射孔彈的炸點在開墾孔道的同時,由高速射流引起的渦流場引力將后效裝藥的高能粒子帶入到孔道內(nèi)。第2靶向是將這些被云霧化的高能粒子在孔道內(nèi)聚集、碰撞、相互作用,引起局部灼熱點火,很快完成從爆燃到螺旋爆轟的轉(zhuǎn)型[4]?？傊?非爆擴容射孔技術孔內(nèi)實現(xiàn)做功的基本原理就是讓射孔彈裝藥在槍內(nèi)高威力爆炸,讓后效體[5]裝藥由渦流場引力帶入到孔道內(nèi)進行低爆轟爆炸。

非爆擴容射孔技術主要有3個技術特點:①使用常規(guī)射孔彈,操作方式與常規(guī)射孔方法相同;②非爆擴容體非火藥,性能穩(wěn)定,便于儲存及運輸,降低射孔生產(chǎn)管理成本;③適用于直井、斜井及水平井等多種井況。

2　非爆擴容射孔技術研究及射孔器研制

2.1　擴容含能材料配方研究

由于油氣井內(nèi)環(huán)境條件復雜,因此,非爆擴容裝藥的原材料的選擇是保證非爆擴容體性能的關鍵之一,用于制作非爆擴容裝藥的含能材料以及添加物耐溫指標都必須滿足井下施工溫度和時間要求,否則不能被選為非爆擴容裝藥的藥劑配方。另外,非爆擴容裝藥最大的特點是能量輸出大大提高。通過對符合非爆擴容裝藥耐溫指標及其性能參數(shù)的原材料進行篩選,確定了以Al或Mg硅酸鹽為支撐劑,以不同粒度特殊工藝處理的合金粉末為填充劑,以樹脂纖維為功能助劑組合而成的高分子聚合物材料(見表1)。

非爆擴容裝藥設計中的另一個考慮因素是藥劑對外部沖擊波作用的感度性能。在射孔過程中,如果裝填在非爆擴容體內(nèi)的非爆擴容裝藥對導爆索和射孔彈的爆轟敏感,就會使非爆擴容裝藥提前爆轟。不穩(wěn)定的藥劑一旦爆轟,將會引起射孔彈的不正常射孔,因而造成槍身脹裂卡井或油層套管破壞等重大事故,所以非爆擴容體內(nèi)應該選擇對外部沖擊波不敏感的含能材料,因此,對藥劑表面進行鈍感處理,是必不可少的。

表1　擴容體高分子聚合物成分[6]

非爆擴容裝藥的燃燒過程以燃燒反應波的形式傳播,其燃燒由藥劑表面以平行層燃燒的方式向垂直于含能材料表面的內(nèi)部逐步擴展進行,這樣,非爆擴容裝藥的燃燒速度就受到非爆擴容裝藥密度的影響,而非爆擴容裝藥的燃燒速度又決定著壓力的增長速度。因此,非爆擴容裝藥密度越大,非爆擴容裝藥的燃速越小,非爆擴容裝藥燃燒產(chǎn)生的燃氣壓力達到峰值壓力的時間就越長。含能材料的密度一定要選擇在一個合適的范圍內(nèi)。

同時,非爆擴容裝藥的裝藥量決定了增效裝藥燃氣的生成量和氣體峰值壓力的持續(xù)時間,藥量越大,含能材料燃氣量越大,氣體峰值壓力持續(xù)的時間也越長,對射孔擴徑和提高射孔穿深也就越有利,所以在裝藥密度一定的條件下,應盡可能地加大裝藥量。盡管增加藥量對延伸射孔孔道和擴大孔徑有利,但是裝藥量過大時,產(chǎn)生的增效裝藥燃燒氣體來不及迅速釋放,迅速聚集的高壓氣體將會使套管內(nèi)的壓力急劇升高,容易損壞套管,所以,增效裝藥量一定要設計合理。要依據(jù)設計指標選擇裝藥量,在不脹槍的前提下盡可能地增大裝藥量。因此,根據(jù)殼體裝藥空間尺寸及非爆擴容裝藥的材料性能參數(shù),設定了不同的裝藥密度,并對其分別進行性能試驗對比(見表2)。

表2　不同裝藥密度下非爆擴容體對孔道的影響

注:試驗為穿鋼靶性能試驗,鋼靶直徑60 mm,靶高200 mm,每組8發(fā)彈。

圖1　殼體結(jié)構優(yōu)化設計示意圖

通過表2可以看出,射孔穿深對裝藥密度響應敏感,通過試驗數(shù)據(jù)對比選出最佳的裝藥密度,最終認為裝藥密度設置在1.2～1.3之間可以得到比較理想的射孔效果[7]。

2.2　擴容體研究

擴容體殼體結(jié)構研究過程中,通過對射孔彈聚能射流爆轟相應過程的研究分析,優(yōu)化設計殼體結(jié)構。

(1) 優(yōu)化非爆擴容體殼體的頂部結(jié)構。采用與槍體同心弧度的頂部結(jié)構取代原與射孔彈軸向?qū)ΨQ的殼體頂部結(jié)構[見圖1(a)和圖1(b)],該設計提升了非爆擴容體的工藝適應性,擴大彈型的選擇范圍,射孔彈配型尺寸提高30%(同類材料下,性能提高20%～30%),同時使得槍內(nèi)射孔炸高提升幅度5%～10%。

(2) 優(yōu)化非爆擴容體殼體的中心孔結(jié)構設計。通過數(shù)值模擬設計、驗證,采用大通徑尺寸中心孔結(jié)構設計[見圖1(c)和圖1(d)],既可以保障金屬射流的通過性和均一性,又能提高裝藥做功利用率,有助于增強射孔后效應效果[8]。從圖2(a)可以看出,擴容體殼體結(jié)構會直接影響射流形成過程,由于結(jié)構的不合理性,造成射流在早期形成過程中被干擾,造成了射流的不連續(xù)性,從而影響整體射孔效能的降低。通過結(jié)構優(yōu)化及數(shù)值模擬驗證后,可以得到比較滿意的射流形成效果。從圖2(b)可以看出,主射流已基本形成并通過,該構建的優(yōu)化設計為其他部件的設計提供了良好的技術基礎。非爆擴容體殼體作為非爆擴容裝藥的載體,應具有足夠的機械強度和良好的耐熱性能?？紤]到射孔后孔道的通暢,非爆擴容體爆炸后殘渣應越少越好,易于燃燒與氣化,減少了射孔后形成的殘渣及污染[9]。

工程聚酯材料為非爆擴容體的比較理想的基礎材料,通過添加功能助劑提高其材質(zhì)的在使用與做功過程中的設計要求。聚乙烯材料機械強度足夠,但耐熱性能及燃燒性能均達不到產(chǎn)品所需的技術性能指標。PBT、PPT聚酯類工程材料具有較好機械強度、耐熱性能。此外,比起鋼材來講,硬度低、彈性好,與裝藥碰撞時的安全性也好得多。

在傳統(tǒng)的火炮裝藥設計和火箭發(fā)動機裝藥設計中,裝藥形狀的設計是影響火炮內(nèi)裝藥燃燒速度及發(fā)動機功率的重要因素之一。對于非爆擴容體這種帶有殼體的裝藥,可以有效地利用殼體內(nèi)部空間,在考慮到藥量和裝藥密度的前提下,對裝藥形狀進行設計。分別設計了平行裝藥結(jié)構、弧形裝藥結(jié)構及拱形裝藥結(jié)構等,并對這些不同裝藥結(jié)構進行了地面性能試驗。從試驗的綜合效果上來看,弧形裝藥結(jié)構對靶體的侵徹效果最好。

圖2　殼體結(jié)構優(yōu)化前后射孔形成過程比較

(3) 優(yōu)化非爆擴容體殼體裝藥結(jié)構設計。設計了凸形裝藥、平行裝藥、凹形裝藥3種裝藥結(jié)構[見圖3(a)、(b)和(c)],并對其進行了數(shù)值模擬分析與地面試驗驗證。經(jīng)分析,凹形裝藥對射孔效能提升最為顯著,而且不同弧度凹形裝藥對射孔性能影響不同(見表3)。

表3　不同裝藥結(jié)構試驗數(shù)據(jù)表

為滿足井下作業(yè)溫度和時間的要求,擴容體功能罩設計中,首先選擇合適的增效罩罩體材料。研究中,首選設計方案為用金屬材料制成的薄片來滿足罩體性能要求,通過試驗,采用金屬罩體的非爆擴容體與不安裝罩體的非爆擴容體射孔效果相差很大,罩體由于不能瞬間瓦解,造成對金屬射流的影響,而且產(chǎn)品質(zhì)量一致性差;第2方案選用特殊紙質(zhì)材料作為罩體基材,雖然不阻礙射流及非爆擴容體內(nèi)非爆擴容裝藥的作用過程,但使用該材料后,工藝實施較難實現(xiàn),同時產(chǎn)品的安全性會明顯降低。最終,選擇了與殼體材料同樣的聚酯類材料,經(jīng)過設計加工后的罩體可與殼體和藥面緊密貼合,通過一系列性能檢測試驗,驗證了該材料使用的可靠性。

功能罩作為非爆擴容體外部殼體的一部分,罩體設計的好壞關系著非爆擴容體產(chǎn)品質(zhì)量及性能的優(yōu)劣。作為非爆擴容體封隔特種增效的關鍵部件,合適的罩體尺寸尤為重要,當罩體外徑尺寸與藥劑表面及殼體尺寸配合不當時,罩體就不能起到很好的密封作用,同時會造成部件的損壞。罩體的厚度也應控制在合理的尺寸范圍內(nèi)(一般認為厚度保持在0.3～0.8 mm之間較好),保護非爆擴容裝藥不易受到外力撞擊而爆燃,同時不影響裝槍尺寸。

2.3　非爆擴容射孔器研制

非爆擴容射孔器采用全新的裝配模式,將非爆擴容體與射孔彈同軸一體化裝配,使非爆擴容裝藥位于金屬射流軸線周圍,輔助裝藥過程中將非爆擴容體口部套在射孔彈的射流輸出端,裝配示意圖見圖4。該模式有3個優(yōu)點:①利用射流能量直接起爆增效裝藥,采用較鈍感的炸藥,能可靠地起爆增效裝藥,提高制造、運輸和使用的安全性;②從時序上講,能使非爆擴容裝藥在射流后面的渦流負壓的導引下,沿著射流進入孔道,實現(xiàn)能量的有效釋放;③非爆擴容體設計成與射孔彈緊配合,無需膠黏劑或配套螺栓固定。

圖4　擴容體與射孔器裝配示意圖

3　地面試驗檢測

為驗證非爆擴容射孔器各項指標,并與常規(guī)射孔器性能比較,進行了鋼靶、砂巖靶和混凝土靶地面試驗測試。

地面鋼靶檢測試驗選用45號鋼錠(直徑60 mm,長280 mm),第1～6號試驗為裝有擴容體的鋼靶試驗,平均穿深221 mm,平均孔容12.3 mL;第7～9序號試驗為未裝有擴容體的鋼靶試驗,平均穿深186.7 mm,平均孔容為9.3 mL。試驗結(jié)果表明,采用擴容射孔有利于射孔孔容的增加(平均孔容提高了32%),而且擴容體沒有影響射孔穿深。

地面混凝土靶檢測試驗選用半徑1 m的混凝土靶,1 m射孔槍,16發(fā)DP44RDX-3射孔彈,前8發(fā)射孔彈裝配擴容體,后8發(fā)不裝配擴容體。試驗結(jié)果表明,裝配擴容體的射孔器平均穿深589 mm,未裝配擴容體的射孔器平均穿深為517 mm,穿深提高了13.93%,孔徑提高了29%。裝配擴容體的射孔槍,平均漲徑為3.3 mm,滿足行業(yè)標準。

砂巖靶射孔流動效率測試試驗結(jié)果表明,與常規(guī)射孔相比非爆擴容射孔流量提高了15.7%。

4　現(xiàn)場應用

為驗證非爆擴容射孔技術在低滲透油層應用效果,在某低滲透區(qū)塊選擇了51口生產(chǎn)井進行了現(xiàn)場應用試驗,平均射開儲層厚度7.98 m。投產(chǎn)數(shù)據(jù)表明,采用該技術的51口油井平均產(chǎn)液量3.54 m3/d,平均采液強度0.44 m3/(d·m),與采用常規(guī)射孔技術同區(qū)塊、同時期的18口油井相比(平均射開厚度12.45 m,平均產(chǎn)液量4.42 m3/d,平均采液強度0.35 m3/(d·m)),平均采液強度提高了26%,取得了較好的增產(chǎn)效果。

5　結(jié)　論

(1) 通過云爆彈技術與射孔技術的有機結(jié)合,形成了一種不靠火藥做功,也可實現(xiàn)提高近井地帶滲流效果,達到精細改造井筒與地層射孔孔道目的的射孔新技術。

(2) 針對非爆擴容含能材料的使用環(huán)境和條件,研究了具有耐高溫、作用效果顯著等特點的非爆擴容含能材料配方;通過數(shù)值模擬和對比試驗,設計了非爆擴容體,確定了裝料密度和裝料結(jié)構;實現(xiàn)了射孔彈與非爆擴容體的最佳匹配,研制了非爆擴容射孔器。

(3) 非爆擴容射孔器地面試驗檢測表明,與常規(guī)射孔相比,平均孔容提高了32%、穿深提高了14%、孔徑提高了29%、流量提高了15.7%,槍身各項技術指標達到行業(yè)標準,保證了射孔施工的安全性;現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,與常規(guī)射孔技術相比,平均采液強度提高26%,提高了油井的完善程度,取得了較好的增產(chǎn)效果。

(4) 非爆擴容射孔技術可有效降低人員、安全、環(huán)保費用,并大量節(jié)省火藥運輸、存儲、管理成本,具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。該技術使我們對改造與儲層溝通通道的技術重新認識,并且對后期的生產(chǎn)措施改造起到極大的促進作用,作為一項新型射孔技術,隨著應用規(guī)模的不斷擴大,必將對射孔領域產(chǎn)生積極影響,具有廣闊的市場應用發(fā)展前景。

參考文獻:

[1]成建龍, 孫憲宏, 喬曉光, 等. 油氣井用火藥的耐高溫性能研究 [J]. 測井技術, 2008, 32(2): 95-99.

[2]于開勛. 三射流射孔技術研究與應用 [J]. 測井技術, 2015, 39(5): 665-668.

[3]方偉, 趙省向, 李文祥, 等. 爆炸拋撒過程中FAE云霧的運動特性 [J]. 含能材料, 2015(11): 1061-1066.

[4]張?zhí)? 於津, 惠君明. 爆炸拋撒方式對FAE云霧爆轟特性及威力影響的實驗研究 [J]. 彈箭與制導學報, 2010(1): 137-140.

[5]文良凡. 后效集束射孔技術的探討 [J]. 石油工業(yè)技術監(jiān)督, 2015(10): 39-41.

[6]宋述忠, 彭金華, 陳網(wǎng)樺, 等. 幾種燃料云霧爆轟臨界起爆能的研究 [J]. 爆炸與沖擊, 2002(4): 373-376.

[7]智小琦, 張月宏. 云霧爆轟效應的計算與分析 [J]. 彈箭與制導學報, 2005(增刊5): 536-537.

[8]陳明生, 李建平, 白春華. 非圓截面云霧爆炸超壓場數(shù)值模擬 [J]. 含能材料, 2015(5): 484-489.

[9]劉會娟, 劉蔭忠, 田毅, 等. 復合射孔爆炸與燃燒機理數(shù)值模擬分析 [J]. 測井技術, 2012, 36(1): 78-83.