姚志中,趙開良,張鋒,王培禹,焦建國(guó),魏鯤鵬
(1.中原油田地球物理測(cè)井公司,河南 濮陽(yáng)457001;2.西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司,陜西 西安710061;3.中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院,河南 濮陽(yáng)457001)
水平井大都需要采用油管輸送射孔方式溝通地層和套管。對(duì)于超長(zhǎng)層段的水平井射孔,3種因素造成射孔槍傳爆失敗和射孔管柱遇卡的風(fēng)險(xiǎn)顯著提高。
(1)對(duì)超長(zhǎng)層段油氣井實(shí)施油管輸送射孔,一次下井射孔槍有一百多支甚至數(shù)百支。由于多種因素影響,射孔槍傳爆可靠性較低,加之水平井要求定向射孔,射孔槍裝配完后,固彈架在槍管內(nèi)一直處于自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài),增大了射孔槍傳爆失敗的風(fēng)險(xiǎn)。
(2)水平井射孔槍為滿足自動(dòng)定向要求,無(wú)法與常規(guī)射孔槍一樣預(yù)制掩埋射孔毛刺的盲孔,于是射孔后槍管外的孔眼毛刺高,特別是水平井射孔槍是“平躺”在水平套管內(nèi),孔眼毛刺與套管孔眼鑲嵌的概率大,容易造成射孔后槍身遇卡。
(3)由于套管是水平方向,射孔后槍內(nèi)殘?jiān)偷貙觾?nèi)碎屑排泄到套管與射孔槍的環(huán)形空間內(nèi),容易造成碎屑堆積,加大了射孔槍遇卡的風(fēng)險(xiǎn)。
本文在現(xiàn)有水平井射孔技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合普光氣田大灣區(qū)塊的地質(zhì)特點(diǎn),研究應(yīng)用補(bǔ)償式傳爆技術(shù)和水平井射孔槍低摩擦阻力防卡技術(shù),取得了顯著的效果。
隔板增能器是補(bǔ)償式傳爆技術(shù)的核心部件,它主要由隔板本體、復(fù)合裝藥、安全護(hù)帽和密封圈等4部分組成。隔板本體用金屬加工成對(duì)稱的“H”形狀,兩端的裝藥盲孔設(shè)計(jì)成漏斗狀,在2個(gè)盲孔內(nèi)對(duì)稱裝藥,均裝填由起爆藥和猛炸藥組成的復(fù)合裝藥。復(fù)合裝藥表面是安全護(hù)帽,防止裝配時(shí)對(duì)火工組件形成直接碰撞。隔板增能器結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 隔板增能器結(jié)構(gòu)示意圖
由于隔板增能器設(shè)計(jì)為對(duì)稱結(jié)構(gòu),所以它具有雙向傳爆功能。任意一端接受射孔槍中的傳爆管傳遞過(guò)來(lái)的爆轟波時(shí),該端的裝藥即被起爆,產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波,并作用在隔板上,沖擊波經(jīng)隔板起爆另一端的裝藥,該端裝藥定向爆炸(類似射孔彈),產(chǎn)生爆轟波并傳遞給下一支射孔槍中的傳爆管,從而完成隔板的傳爆功能。由于其裝藥密度較一般雙向傳爆管小,隔板的起爆感度得到了提高,同時(shí),隔板對(duì)輸出爆轟波有強(qiáng)力約束作用,輸出能力也得到了較大提高。由于它兼?zhèn)淞似鸨卸雀吆洼敵瞿芰?qiáng)等雙重特性,因此提高了傳爆的可靠性,表現(xiàn)為空氣傳爆距離的增加和將準(zhǔn)低爆速的爆轟波轉(zhuǎn)化為正常爆轟波的能力。既能可靠傳爆又能可靠密封的隔板厚度,漏斗狀的盲孔減輕了爆轟波對(duì)隔板的破壞,使得隔板增能器在傳爆前后都具有較高的密封性能。
補(bǔ)償式傳爆射孔槍串結(jié)構(gòu)和常規(guī)的射孔槍串主要區(qū)別是在每個(gè)傳爆接頭內(nèi)上下傳爆管的中間安裝一套隔板增能器,在射孔槍串的兩端各安裝一套起爆器和延時(shí)裝置,即采用雙向延時(shí)起爆。補(bǔ)償式傳爆槍串結(jié)構(gòu)見圖2,隔板增能器在傳爆接頭中工作位置見圖3。
圖2 補(bǔ)償式傳爆槍串結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 隔板增能器在傳爆接頭中工作位置示意圖
導(dǎo)爆索的正常爆速是5 000~8 000m/s,足以引爆射孔彈,但由于多種因素影響,它的爆速有時(shí)會(huì)降至5 000m/s以下甚至燃燒,這種情況下就不能正常引爆射孔彈,而且不能將爆轟波正常傳遞給下一級(jí)射孔槍,造成傳爆中斷或炸槍。射孔槍串采用補(bǔ)償式傳爆結(jié)構(gòu),可以有效解決這一問題。它的技術(shù)原理是井口加壓使上下起爆器同時(shí)起爆,延時(shí)時(shí)間較短的延時(shí)裝置(一般安裝在槍串上端)引爆與其相聯(lián)的傳爆序列,如果導(dǎo)爆索爆速降低,傳爆接頭內(nèi)的隔板增能器受到爆轟波沖擊時(shí),它能可靠起爆并將低爆速爆轟波提升至正常爆速;萬(wàn)一傳爆中斷,隔板增能器對(duì)未引爆的射孔槍進(jìn)行密封,防止井液進(jìn)入未引爆的射孔槍,延時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)的延時(shí)裝置繼續(xù)從射孔槍串的另一端反向引爆未爆射孔槍,從而保證整串射孔槍全部引爆。隔板增能器和雙向延時(shí)起爆配套使用,可以達(dá)到爆速提升、低爆速傳爆、未爆射孔槍反向引爆三重補(bǔ)償效果。
大彎區(qū)塊大厚層儲(chǔ)層物性差異大,為達(dá)到酸壓時(shí)各類儲(chǔ)層均勻布酸的目的,根據(jù)射孔優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,不同類型儲(chǔ)層射孔密度應(yīng)不同,Ⅲ類儲(chǔ)層射孔密度應(yīng)大于20孔/m。由于射孔槍空間的限制,高孔密射孔必然以減小射孔彈尺寸即犧牲穿深為代價(jià),目前適用于102射孔槍的高指標(biāo)射孔彈有DP40HMX和DP44HMX(小1m彈)2種型號(hào)。DP40HMX射孔彈在API混凝土靶上穿深720mm左右(在45號(hào)鋼靶上穿深180mm左右),彈殼外徑46~48mm。雖然可以實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)度1 000mm空間內(nèi)安裝20發(fā)射孔彈,但射孔彈外殼間距低于5mm,加之彈殼壁厚較薄,彈間干擾加劇,影響穿深和孔道質(zhì)量[1]。某種DP40HMX射孔彈在20孔/m和16孔/m情況下(90°相位角)打靶結(jié)果對(duì)照見表1。
從表1可見,DP40HMX射孔彈在20孔/m情況下穿深嚴(yán)重下降,而且孔眼方向偏離,孔眼不規(guī)則,毛刺高度增大,達(dá)到5mm左右,槍身膨脹明顯,外徑脹大5~10mm;而它在16孔/m情況下打靶穿深數(shù)據(jù)穩(wěn)定,孔眼規(guī)則,毛刺高度2~3mm,槍身膨脹2~4mm。這說(shuō)明DP40HMX射孔彈在20孔/m情況下彈間干擾嚴(yán)重。DP44HMX射孔彈殼體外徑達(dá)到52mm,抗彈間干擾能力強(qiáng),按16孔/m裝配,彈間距還有10.5mm,根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,基本避免了彈間干擾的影響。
綜合以上分析,為提高穿深,降低射孔槍上提摩擦阻力和被卡的風(fēng)險(xiǎn),102水平井射孔槍裝配1m彈時(shí)最高密度為16孔/m。
表1 某種DP40HMX射孔彈在20孔/m和16孔/m情況下打靶結(jié)果對(duì)照表
對(duì)于膠結(jié)不太好的砂巖地層水平井射孔,為防止地層出砂等情況,一般要求定向射孔。對(duì)于致密的碳酸鹽巖地層,如果不存在邊水(底水)錐進(jìn),均勻螺旋布孔比較有利于獲取較好的地質(zhì)效果,但這種布孔方式會(huì)出現(xiàn)一部分孔眼方向垂直朝下或接近垂直朝下,孔眼毛刺和套管上孔眼鑲嵌的概率大,從射孔槍內(nèi)流出的射孔碎屑多,造成射孔槍上提摩擦阻力高甚至射孔槍被卡。
大彎氣田碳酸鹽巖超長(zhǎng)井段射孔,為消除以上2項(xiàng)射孔槍被卡的隱患,采取定向射孔,將射孔相位角設(shè)計(jì)為上相位120°,交錯(cuò)布孔(見圖4)。如此設(shè)計(jì)有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
(1)由于重力作用,射孔碎屑不容易從射孔槍內(nèi)排出,減少了套管內(nèi)碎屑堆積。
(2)套管上孔眼位置相對(duì)較高,即使套管孔眼上存在內(nèi)毛刺,也不致于和射孔槍孔眼毛刺擦掛。
(3)水平井射孔時(shí),相位角對(duì)地質(zhì)效果的影響較小。安永生等[2]研究結(jié)論給出低孔密射孔時(shí)(孔密小于15孔/m),180°相位角產(chǎn)量最高,優(yōu)于45°和90°相位角,由此可以推論,大彎氣田射孔密度8~16孔/m,120°相位角比較有利于提高地質(zhì)效果。
圖4 射孔孔眼相位示意圖
射孔彈在穿孔作用的同時(shí),彈殼在炸藥爆轟的強(qiáng)大壓強(qiáng)(約2GPa)作用下破裂為0.5~15mm的碎片。在水平井射孔時(shí),因?yàn)樯淇讟屘幱谒綘顟B(tài),這種小直徑的彈殼碎片容易通過(guò)射孔槍上直徑12mm左右的射孔孔眼排到套管內(nèi),在套管和射孔槍的環(huán)形空間堆積,引起射孔管柱上提摩擦阻力增高,甚至射孔管柱被卡,彈殼碎片也為下一步措施帶來(lái)不便和安全隱患。
低碎屑射孔彈彈殼采用20號(hào)鋼,相對(duì)常規(guī)射孔彈彈殼材料45號(hào)鋼的延伸率和斷面收縮率均提高近40%,有利于延緩碎片的形成;借鑒軍用手榴彈殼體表面增設(shè)網(wǎng)狀預(yù)置槽,在手榴彈爆炸時(shí)殼體會(huì)沿著預(yù)置槽方向破碎成若干個(gè)預(yù)定的碎片這一設(shè)計(jì),在射孔彈殼內(nèi)腔軸向方向設(shè)置4條預(yù)置槽,彈殼碎片中的大片明顯增加,較小直徑的碎片明顯減少。低碎屑彈和小1m彈打靶數(shù)據(jù)比較見表2。
表2中可以看出,低碎屑射孔彈相對(duì)小1m彈穿孔深度降低了3.7%,但大于8mm×8mm碎片的比例由47.4%提高到82.1%。
2011年12 月至2012年2月,對(duì)普光氣田大彎區(qū)塊大彎402-1H井等4口水平井進(jìn)行了射孔施工,使用外徑102mm抗硫化氫射孔槍,DP40-3低碎屑射孔彈,相位角30°、120°朝上,孔密6~16孔/m,單井最大射孔槍長(zhǎng)度1 215.5m,最大射孔厚度941.8m,采用雙向雙效多級(jí)延時(shí)起爆和補(bǔ)償式傳爆技術(shù),每3支射孔槍使用1套增能器。射孔一次成功率100%,射孔彈發(fā)射率100%(見表3)。
表2 低碎屑彈和小1m彈打靶數(shù)據(jù)比較
表3 大彎區(qū)塊4口水平井射孔施工數(shù)據(jù)表
圖5 大灣405-1H井射孔起爆監(jiān)測(cè)曲線
大灣405-1H井射孔起爆監(jiān)測(cè)曲線見圖5。
這4口井射孔后上提管柱相對(duì)射孔前最大拉力增加20kN,射孔后摩擦阻力增加不明顯;射孔后下酸壓生產(chǎn)一體化管柱,封隔器坐封效果良好,試氣結(jié)果達(dá)到或超過(guò)了預(yù)期產(chǎn)量,地質(zhì)效果令人滿意。
(1)超長(zhǎng)層段水平井射孔采用雙效起爆和補(bǔ)償式傳爆技術(shù)可有效避免射孔傳爆失敗現(xiàn)象的發(fā)生。
(2)大彎區(qū)塊碳酸鹽巖地層采用102射孔槍裝配低碎屑射孔彈,120°上相位,不同儲(chǔ)層6~16孔/m變孔密射孔,能滿足酸壓改造要求,地質(zhì)效果好。
(3)使用低碎屑射孔彈和選擇合理射孔參數(shù)等技術(shù)措施,可有效降低超長(zhǎng)層段水平井射孔管柱上提摩擦阻力,防止射孔后管柱遇卡。
[1] 李東傳,金成福,劉亞芬,等.射孔彈彈間干擾消除方法初探 [J].測(cè)井技術(shù),2006,30(5):476-478.
[2] 安永生,柳文莉,祁香文.射孔完井參數(shù)對(duì)水平井產(chǎn)量的影響 [J].斷塊油氣田,2011,18(4):520-523.