李作平，孫憲宏，謝陽平，石瑩，紀松，胡俊毅

（1.大慶油田采油二廠，大慶 黑龍江163414；2.西安通源石油科技股份有限公司，陜西 西安710075；3.大慶油田試油試采分公司，黑龍江 大慶163412；4.江蘇石油工程有限公司地質(zhì)測井處，江蘇 揚州225002）

0 引 言

復合射孔技術最大特點是在近井地帶形成網(wǎng)狀裂縫，改善地層導流能力。但是隨著油田開發(fā)的深入，致密、低滲透率、非均質(zhì)性強的油藏數(shù)量增多，開采難度不斷增加，對射孔技術也提出了更高的要求，原有的復合射孔技術裝藥空間未充分利用，裝藥量?。恍箟嚎椎脑O計不盡合理，二次能量的做功效率不高；鋼質(zhì)堵片落入井筒造成污染；射孔器結構設計中射孔彈炸高偏小。為克服上述缺陷提出三級裝藥多級復合射孔技術，改變了原有技術應用局限性，通過大慶油田的試驗取得了良好的增產(chǎn)效果。

1 三級裝藥射孔的關鍵技術

1.1 超慢速火藥

三級裝藥多級復合射孔的關鍵是引入了超慢速火藥。超慢速火藥是在軍工技術的基礎上通過配方優(yōu)化增加緩燃材料、提高抗爆轟能力開發(fā)的新型火藥。該火藥的火藥力450～550kJ／kg，燃燒結束點達到650ms以上（見圖1）。

圖1 3種火藥性能曲線

1.2 三級裝藥結構設計

三級裝藥結構設計關鍵是控制火藥燃燒與射孔彈爆轟之間以及火藥之間的時間差，控制不好會引起槍身的較大膨脹變形或破裂，嚴重時造成槍身掉卡或油層套管破壞等事故。優(yōu)化設計的原則是充分利用槍內(nèi)空間，提高裝藥量，在槍身變形量滿足SY／T 6824－2011標準規(guī)定下延長有效壓力的作用時間。

槍內(nèi)裝藥方式主要有3種，彈間裝藥、彈架外裝藥和射孔彈口端裝藥。確定3種裝藥的藥性和藥量是裝藥設計的關鍵。為此，進行了各種裝藥結構的地面動態(tài)p－t曲線測試。試驗結果見表1。

通過優(yōu)化設計，選擇了序號3方案，其裝藥量為50g／發(fā)，是常規(guī)復合射孔的2倍；有效壓力作用時間為18～26ms，是常規(guī)復合射孔的3～4倍、兩級復合射孔的1.5～2倍。

1.3 泄壓孔優(yōu)化設計

泄壓孔的設計直接影響到環(huán)空壓力過程和p－t形態(tài)，對壓力上升速率、峰值壓力、有效壓力作用時間都會產(chǎn)生很大影響。常規(guī)的復合射孔器泄壓孔位置一般開在射孔彈射流方向的相反位置（射孔彈尾部槍身處），造成火藥能量不能直接進入地層，影響火藥的做功效率。

表1 三級裝藥多級復合裝藥結構方案對比

為使泄壓孔的位置更加合理，對泄壓孔位置與射流方向進行了數(shù)值模擬和驗證試驗，摸索出壓力峰值和泄壓孔相位之間的關系

式中，p為壓力峰值；θ為泄壓孔與射孔彈射流方向的夾角。

試驗結果顯示泄壓孔開在射孔彈射流方向（0°）和相反方向（180°）時，火藥爆燃氣體進入孔道的初始壓力不同，主要是壓力上升速率和壓力峰值，0°時要比180°時高得多（見圖2、圖3）。

1.4 破碎堵片研制

常規(guī)復合射孔槍泄壓孔堵片采用45號鋼作為骨架，表面硫化橡膠，射孔后堵片完全脫落至井底，無法用替井液替出，且沒有成熟的打撈工具，嚴重影響油氣井后期的大修和改造，為此提出了破碎堵片設計方案。

圖2 θ為0°時壓力時間曲線

1.4.1 設計原則及結構分析

等強度理論：協(xié)調(diào)結構尺寸，統(tǒng)一結構承載能力。

最大厚度界限不得超過泄壓孔弦長高度，減少結構受到外部接觸磕碰影響。

圖3 θ為180°時壓力時間曲線

圖4 破碎堵片數(shù)值模擬

按設計尺寸加載80MPa的圍壓接觸邊界條件（不考慮環(huán)氧粘結的強度），計算模型見圖4。

分析結果顯示，80MPa時結構沒有出現(xiàn)大的塑性變形；堵片應力與臺階應力匹配良好，達到等強度設計標準。

1.4.2 承壓試驗

用專用超高壓試驗裝置對裝有破碎堵片的整槍進行密封打壓試驗，試驗結果證明該結構粉末冶金堵片安全承受壓力能夠達到80MPa（見圖5）。

圖5 破碎堵片耐壓試驗曲線

1.4.3 破碎效果及破碎堵片特點

利用單發(fā)射孔單元試驗裝置進行多次的實驗，并全部回收堵片殘渣。結果表明，在彈尾部的爆炸沖擊作用下，破碎型堵片可以破碎，最大顆粒尺寸小于4mm×4mm。

射孔后破碎堵片破碎可以通過替井液替出，消除堵片給油氣井帶來的污染，即使不處理也不影響油氣井的大修與改造。射孔彈射開的材料由32CrMo4變成了波阻抗較低的破碎材質(zhì)，相同地質(zhì)條件下射孔彈對地層穿深提高約9.3%。射孔后槍身無毛刺避免了卡槍事故發(fā)生；泄壓孔與堵片形成內(nèi)盲孔結構，射孔彈炸高提高10%～15%。

1.5 三聯(lián)體藥盒設計

基于兩級裝藥復合射孔使用過程暴露的藥盒占用空間大，運輸和儲存成本高，大批量市場應用困難；三級裝藥多級復合射孔提出了三聯(lián)體藥盒的設計思路，采用鉸鏈結構將側掛藥盒和前置藥盒聯(lián)為一體，藥盒卡爪插入彈架外預先設置的卡槽內(nèi)，裝配簡單方便，運輸及儲存時藥盒展開擺放占用空間小、成本低，能夠保證大批量生產(chǎn)的要求。

2 地面p－t試驗

地面p－t測試表明，具有這種裝藥結構的三級裝藥多級復合射孔器比常規(guī)同型號的復合射孔器壓力上升速度穩(wěn)定，壓力峰值70MPa。30MPa時的壓力作用時間達到18～26ms，是常規(guī)復合射孔的3～4倍、兩級復合射孔的1.5～2倍，實現(xiàn)了較寬的壓力平臺。從理論上講，這種新型三級裝藥多級復合射孔槍的射孔效率會更高（見圖6）。

圖6 三級裝藥與多級、傳統(tǒng)復合射孔地面測試曲線對比

3 應用情況

太135－53油井井深1 238m，巖層破裂壓力25MPa，井溫28℃。三級裝藥多級復合射孔槍為16孔／m、90°相位，與所配射孔彈匹配的火藥量不小于0.8kg／m。

與鄰井所采用的多級復合射孔相比，射孔時水柱高度是多級復合射孔的近2倍，從井下p－t儀測出的曲線看，三級裝藥多級復合射孔最大壓力92.4MPa，有效壓力（30MPa）作用時間約25ms；而兩級復合射孔最大壓力84.6MPa，有效壓力（30MPa）作用時間約14.6ms（見圖7、圖8）。提出井口射孔槍完好，測量射孔槍外徑最大變形量為4.9mm，槍身無毛刺，各項指標均滿足SY／T6824－2011標準要求。試油結果采油強度為3.23，比多級復合射孔提高了70%左右（見表2）。

圖7 多級復合射孔井下p－t曲線

圖8 三級裝藥復合射孔井下p－t曲線

表2 大慶油田3口井試油結果

4 結 論

（1）三級裝藥多級復合射孔克服了常規(guī)復合射孔的缺陷，裝藥量提高到50g／發(fā)，是常規(guī)復合射孔的2倍；優(yōu)化了裝藥結構和泄壓孔，氣體壓裂做功效率更高；破碎堵片減少了井筒污染；三聯(lián)體藥盒裝配簡便，儲存運輸成本低，使多級復合能夠滿足大批量油田施工的要求。

（2）地面和井下測得的p－t曲線表明，三級裝藥復合射孔的有效壓裂作用時間比常規(guī)復合射孔及兩級復合射孔有較大幅度增加，有效壓力作用時間為18～26ms，是常規(guī)復合射孔的3～4倍、兩級復合射孔的1.5～2倍，提高了造縫能力。

（3）現(xiàn)場實際應用效果表明，三級裝藥多級復合射孔器比常規(guī)復合射孔器以及兩級復合射孔器有更好的增產(chǎn)效果。

［1］ 張雙計，王煒.油氣井燃燒爆破技術 ［M］.西安：陜西科學技術出版社，2003.

［2］ 佟錚，馬萬珍，曹玉生.爆破與爆炸技術 ［M］.北京：中國人民公安大學出版社，2001.