常鵬剛，王永清，馬飛英，蔣睿，章雙龍

（西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500）

0 引 言

常規(guī)負壓射孔工藝技術(shù)應(yīng)用中，部分負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)負壓射孔不能在井筒與地層間快速形成負壓差，從而影響了孔眼泄流幅度，降低了負壓射孔效果。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)負壓射孔的常規(guī)作用機理，以相關(guān)研究資料為基礎(chǔ)，運用邏輯推理與現(xiàn)場試驗相結(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)負壓射孔技術(shù)其他可能的作用機理，為動態(tài)負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)負壓射孔工藝對射孔孔眼周圍壓實帶的物性改良方面，其觀點主要有2種：①動態(tài)負壓射孔工藝技術(shù)之所以能夠較大幅度地減小射孔損害，主要是因為射孔后在井筒內(nèi)快速形成了負壓差[1－8]，即動態(tài)負壓，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帶滲透率。

基于以上2種基本作用機理，對動態(tài)負壓射孔技術(shù)進行研究，對動態(tài)負壓射孔技術(shù)的基本機理形成了新認識，能夠更合理、更全面地解釋動態(tài)負壓射孔技術(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理的研究認為，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帶，該壓實帶具有高孔隙度低滲透率的特征，從而嚴重影響了油氣井產(chǎn)能和注入井的注入效率[11]。有學者認為，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，該觀點只停留在爆轟氣體膨脹造成射孔損害的宏觀層面，沒有進一步闡明爆轟氣體造成儲層傷害的微觀機理。

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，靶板材料和射流殘渣飛濺。該階段產(chǎn)生的孔深很小，形似口袋。

（2）在準定常階段，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，靶材強度影響逐漸增加。同時由于射流速度低，擴孔能力下降，后續(xù)射流推不開前方射流與靶板碰撞產(chǎn)生的殘渣，射流作用在殘渣上，而不是作用在靶板的底部，影響了射流的侵切，從而導(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)生的殘渣時，射流將直接作用于殘渣上；而當此時的射流頭部壓力又高于地層壓力時，致使射孔殘渣向壓實帶孔道和裂縫轉(zhuǎn)移，造成壓實帶滲透率傷害。

1.3 動態(tài)負壓值的大小與初始井筒壓力的關(guān)系

國外學者認為，消除射孔損害與最大動態(tài)負壓和瞬態(tài)泄流直接相關(guān)，而與初始井筒壓力無關(guān)[14]，但是，中國學者通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，動態(tài)負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)果與中國的試驗結(jié)論相沖突唯一的原因就是動態(tài)負壓射孔的作用機理還不夠完善。

2 動態(tài)負壓射孔作用機理新認識

2.1 井筒動態(tài)環(huán)境對減小射孔損害的作用機理

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行轉(zhuǎn)移。對常規(guī)負壓射孔，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，進而將射孔孔眼中的部分射孔殘渣帶入地層，損害儲層滲透率。所以，在某些情況下，常規(guī)負壓射孔是在已造成儲層滲透率傷害的前提下才進行孔眼返排清洗的。常規(guī)靜態(tài)負壓射孔對爆轟殘余能量的消化是以被動的方式進行的。而動態(tài)負壓射孔技術(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個方面的作用機理。

圖1 動態(tài)負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，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向下偏移，縮短了殘余低能射流與射孔殘渣的接觸時間，不僅降低了射孔殘渣侵入壓實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渣帶出孔外，減小對壓實帶滲透率的損害，提高了射孔孔眼流動效率（見圖2）。

圖2 動態(tài)負壓射孔作用機理示意圖

（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理

（1）地層流體返排清洗對減小射孔損害的作用機理。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)負壓射孔技術(shù)能夠在井筒中快速形成負壓差，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（尤其是壓實帶）孔隙及裂縫表面的沖刷作用也不斷增強，進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)的射孔殘渣以分選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位專家的實驗結(jié)論，即動態(tài)負壓射孔使射孔孔眼擴大相當吻合。

圖6 坍塌造成射孔孔眼擴大

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)負壓射孔作用機理的本質(zhì)。作用機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 工藝試驗驗證

由表1可知，在初始壓力一致的前提下，隨著動態(tài)負壓值增大，巖心流動能力增強，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)負壓的幅度，還有動態(tài)負壓變化的時間，即動態(tài)負壓射孔時評價孔眼清潔程度的指標應(yīng)該是動態(tài)負壓變化率。而且動態(tài)負壓變化率越大，孔眼越清潔，壓實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)負壓射孔時，壓實帶不可辟免的存在，但是，其流動效率卻很高，這不僅說明大量的射孔殘渣已經(jīng)被帶出孔外，而且在動態(tài)負壓射孔時，還可能有次生裂縫生成。

表1 單發(fā)射孔試驗巖心分析結(jié)果

在射孔槍類型、射孔彈類型、孔密、初始負壓相同的情況下，也即在相同的槍套間隙下，隨著槍身裝藥量的增加，動態(tài)負壓變?。ㄒ姳?）。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。

表2 工藝試驗數(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)負壓幅度增強，這與增大初始負壓使井筒動態(tài)作用增強的結(jié)論完全一致。

表3 工藝試驗數(shù)據(jù)2

在現(xiàn)場施工中選擇了4口井進行了動態(tài)負壓射孔試驗，試驗測試結(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)負壓射孔時，射孔孔眼有所擴大或者射孔孔眼周圍形成了微裂縫網(wǎng)。

表4 實際施工井測試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

（1）常規(guī)靜態(tài)負壓射孔以被動的方式消化殘余爆轟能量，而動態(tài)負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，縮短了殘余低能射流與射孔殘渣的接觸時間，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）工藝試驗結(jié)果表明，動態(tài)負壓作用機理由井筒動態(tài)影響和儲層巖石物性改良2個方面組成，且二者互為補充。

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