左坤，覃建宇，張永濤，張強(qiáng)，田崢

中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067

射孔技術(shù)是油氣勘探開發(fā)中一項(xiàng)較為關(guān)鍵的技術(shù)，其建立起油氣層和井筒的通道，是油氣井完井作業(yè)中極其重要的一環(huán)。射孔質(zhì)量的好壞直接影響著油氣井的產(chǎn)能及后續(xù)改造措施的效果。如何創(chuàng)新射孔工藝技術(shù)，打造出更接近天然裂縫的油流通道，改善射孔完井效果，實(shí)現(xiàn)清潔高效無污染射孔，對提高油氣開采效率、實(shí)現(xiàn)油氣田增產(chǎn)增效有著重大的意義。

早年，國外學(xué)者M(jìn).SID首先發(fā)明了子彈射孔方法，美國聯(lián)合石油公司首次使用子彈射孔器對油井套管成功射孔，但射孔效率十分低下，工藝特別復(fù)雜，射孔指標(biāo)低[1]。MCLEMORE將軍用聚能破甲彈用于射孔作業(yè)，開發(fā)出帶有槍身的聚能射孔彈[2]。雖然射孔效率有了明顯提高，工藝也變得簡單，但是會在井眼周圍形成射孔壓實(shí)帶，給儲層造成污染，影響油氣井產(chǎn)能。此外，常規(guī)聚能射孔技術(shù)受到套管與射孔器尺寸和材質(zhì)等諸多因素的限制，無法滿足低孔低滲等復(fù)雜情況油氣藏的開發(fā)[3-6]。復(fù)合射孔技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在常規(guī)聚能射孔彈形成孔眼的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高能氣體沖刷，伸展孔眼裂隙，清潔孔道。但由于紊態(tài)的能量釋放，使得對孔道的有效做功明顯降低，同時(shí)對槍套的損耗很大，存在諸多安全隱患[7-12]。后期發(fā)展的雙復(fù)射孔技術(shù)采用裝藥前置方式，可集中對孔道做功，但鋼制裝藥外殼與澆注火藥，容易造成能量在射孔孔眼處的爆轟疊加，極大影響射流的形成，降低原有射孔性能指標(biāo)[13]。認(rèn)識到改變孔道形態(tài)可以顯著提高開采效果，國外學(xué)者開發(fā)出了自清潔射孔彈，但受到藥型罩材料特性影響，自清潔射孔彈的穿深指標(biāo)不及常規(guī)射孔彈，加工工藝及質(zhì)量一致性難度較大，成本高昂[14,15]。近年來發(fā)展的后效射孔技術(shù)[16,17]有效克服了這些難題，該技術(shù)通過載波搭接的方式改造常規(guī)聚能射孔彈或深穿透彈的射孔效果，突破聚能射孔技術(shù)壁壘，在保障穿深性能的前提下，擴(kuò)大孔徑、增加孔道滲流面積，降低孔道周圍的壓實(shí)污染，從而提高油氣井近井地帶的導(dǎo)流能力，提高產(chǎn)液量，非常有利于優(yōu)化射孔措施方案，顯著降低射孔作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

1 后效射孔技術(shù)

圖1 后效射孔技術(shù)原理圖Fig.1 Schematic diagram of aftereffect perforation technology

圖2 后效射孔器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of aftereffect perforator

后效射孔技術(shù)主要原理是將2個(gè)能量釋放點(diǎn)進(jìn)行分倉處理，分別作用于不同目標(biāo)靶向[18]：第1靶向是射孔彈的能量釋放點(diǎn)在開墾孔道的同時(shí)，由高速金屬射流引起的渦流場引力將后效體高能粒子拽入到射孔孔道內(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(diǎn)火，很快完成了從爆燃到螺旋爆轟的轉(zhuǎn)型，從而達(dá)到射穿地層，擴(kuò)展孔道的目的；同時(shí)，這些被云霧離子化的粒子瞬間釋放出具有一定質(zhì)量的動能波與應(yīng)力波，以微秒量級瞬間作用于孔道內(nèi)，以瓦解影響孔眼滲流的壓實(shí)層，使得孔道幾何形態(tài)發(fā)生改變，孔眼導(dǎo)流能力大幅度增加，地層原始滲透性得到恢復(fù)。其射孔原理如圖1所示。

后效射孔所用的后效應(yīng)載體(簡稱后效體)采用新型功能結(jié)構(gòu)材料和優(yōu)化的大函道氣動布局殼體結(jié)構(gòu)，裝于射孔彈口部，構(gòu)成后效射孔彈，并采用特制彈架組合，裝于槍內(nèi)，成為后效射孔器。該射孔器采用常規(guī)射孔彈或深穿透射孔彈配型組合即可，采用常規(guī)壁厚盲孔槍，無需外加泄壓孔，工藝步驟簡單。后效射孔器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

后效射孔技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

1)安全可靠。后效體是特制的不含爆炸基源的聚合物，具有超高耐溫、摩擦、撞擊不發(fā)火、高溫下物化性能穩(wěn)定、低溫下不脆裂失效等特點(diǎn)，且被油水浸泡不產(chǎn)生危害；不含放射性物質(zhì)和固體金屬碎片，施工之后不留殘余物，對井體、儲層和其他環(huán)境均無任何污染，具有高度的安全性。后效射孔工藝采用后效體與常規(guī)射孔彈系同軸一體化前置裝配來完成射孔作業(yè)，其能量加載在主射流上迅速作用于地層內(nèi)，維系或降低了射孔槍內(nèi)環(huán)空壓，從而有效地降低了炸槍、卡槍等險(xiǎn)情。

2)有效降低孔道壓實(shí)污染。后效射孔時(shí)被云霧離子化的高能粒子瞬間釋放出具有一定質(zhì)量的動能波與應(yīng)力波，以微秒量級瞬間作用于孔道內(nèi)，對孔道周圍地層產(chǎn)生極大震顫作用，疏松影響孔眼滲流的壓實(shí)層，使得孔道幾何形態(tài)發(fā)生改變，孔眼導(dǎo)流能力大幅度增加，地層原始滲透性得到恢復(fù)，有效降低孔道周圍的壓實(shí)污染。

3)能量利用充分。后效射孔時(shí)，部分聚能射孔彈通過金屬射流先射開地層孔道，隨后后效體被拽入到孔道并引爆爆轟，整個(gè)爆炸過程均在射孔孔道內(nèi)完成，所有爆轟能量均作用于地層孔道，能量利用率高。

4)適用性廣。后效射孔技術(shù)可應(yīng)用于老油田的增產(chǎn)增注，低孔低滲油氣田的開發(fā)，應(yīng)用于不適合大型壓裂的小層或薄層開采以及配合酸化壓裂等措施井的施工等。其適用的井型范圍廣，包括直井、斜井、側(cè)鉆井、大斜度井和水平井等。該技術(shù)對射孔槍的要求不高，采用常規(guī)盲孔槍即可，配裝的射孔槍型廣泛，孔密種類多樣，相位角靈活多變，適用的井下溫度范圍廣，套管類型多樣。

2 后效射孔技術(shù)地面試驗(yàn)

針對后效射孔技術(shù)，在地面上開展了3種不同類別的試驗(yàn)研究：2種不同材質(zhì)的目標(biāo)靶試驗(yàn)(鋼靶試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)混凝土靶試驗(yàn))和1種滲流效果試驗(yàn)。

2.1 鋼靶試驗(yàn)

在地面進(jìn)行了單發(fā)穿鋼靶效果對比試驗(yàn)，該次試驗(yàn)使用常規(guī)射孔彈和帶有后效體的同種型號常規(guī)射孔彈對目標(biāo)鋼靶射孔。試驗(yàn)條件：鋼靶規(guī)格為直徑60mm、高200mm、加20mm鋼墊；試驗(yàn)器材：裝配127#射孔槍，裝配彈徑為48mm×55mm的常規(guī)射孔彈10發(fā)和后效體5發(fā)。經(jīng)過5組射孔試驗(yàn)后，其試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，射孔試驗(yàn)效果對比如圖3所示。

表1 常規(guī)射孔與后效射孔地面鋼靶射孔試驗(yàn)結(jié)果

圖3 后效射孔與常規(guī)射孔地面鋼靶射孔試驗(yàn)效果對比Fig.3 Comparison of steel target test between aftereffect perforation and conventional perforation

可以看出，常規(guī)射孔彈所射出的孔徑平均為9.8mm×10.1mm，孔道容積為4967.8mm3，而帶有后效體的同種型號射孔彈所射出孔徑平均為12.0mm×12.4mm，孔道容積為7199.4mm3，后效射孔所形成的射孔孔徑要比常規(guī)射孔孔徑增大22.6%，孔道容積增加44.9%。從鋼靶試驗(yàn)實(shí)物圖中可以明顯看到，后效射孔作用后孔道孔徑要比常規(guī)射孔后孔道孔徑開闊。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)混凝土靶試驗(yàn)

在地面進(jìn)行了API標(biāo)準(zhǔn)混凝土環(huán)靶效果對比試驗(yàn)，該次試驗(yàn)使用常規(guī)深穿透射孔彈和帶有后效體的同種型號深穿透射孔彈對目標(biāo)混凝土環(huán)靶射孔。

試驗(yàn)條件：采用G級水泥，按API 19B配比制作，靶體外徑3000mm，養(yǎng)護(hù)時(shí)間40d，抗壓強(qiáng)度38MPa；試驗(yàn)器材：裝配16spm 114#射孔槍，裝配高溫深穿透射孔彈10發(fā)和UDP(ultra-deep penetration)型后效體5發(fā)；裝槍位置：帶有后效體的深穿透射孔彈裝在射孔槍上部，常規(guī)深穿透射孔彈裝在槍的下部。經(jīng)過射孔試驗(yàn)后，其結(jié)果如表2所示，射孔試驗(yàn)效果對比如圖4所示。

表2 后效射孔與常規(guī)射孔標(biāo)準(zhǔn)混凝土靶射孔試驗(yàn)結(jié)果

圖4 后效射孔與常規(guī)射孔標(biāo)準(zhǔn)混凝土靶射孔試驗(yàn)效果對比Fig.4 Comparison of standard concrete target test between aftereffect perforation and conventional perforation

常規(guī)深穿透射孔彈所射出的孔深平均為971.2mm，孔徑為9.9mm；而帶有后效體的同種型號深穿透射孔彈所射出孔深平均為1187.8mm，孔徑為11.8mm，后效射孔所形成的射孔深度要比常規(guī)射孔深度增加22.3%，孔徑增加19.2%。從試驗(yàn)靶剖面實(shí)圖(見圖3)中可以看出，左邊孔道為后效射孔作用后有壓裂印痕的孔道形態(tài)，右邊孔道為常規(guī)射孔呈干孔眼的孔道形態(tài)；后效射孔形成的孔道周圍狀態(tài)為均勻開放的，而常規(guī)射孔形成的孔道周圍狀態(tài)為閉塞壓實(shí)的，后效射孔對孔道周圍巖層起到一定震顫作用，有效降低了孔道周圍的壓實(shí)污染，能量利用率高，波及區(qū)域大。

2.3 滲流效果試驗(yàn)

在地面按照API標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行滲流效果對比試驗(yàn)，該次試驗(yàn)取兩類相近參數(shù)的砂巖靶，取相同型號(GH45RDX39-1)射孔彈，其中一個(gè)射孔彈配型相應(yīng)后效體。具體滲流試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見表3。

表3 后效射孔和常規(guī)射孔滲流試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

可以看出，相同試驗(yàn)條件、相近參數(shù)的砂巖靶，后效射孔形成的孔道滲流平均流量為0.715cm3/s，而常規(guī)射孔形成的孔道滲流平均流量為0.518cm3/s，流動效率提高了38.0%。

3 海上油田應(yīng)用

3.1 東海油田

東海油田探井M在鉆桿測試時(shí)應(yīng)用了后效射孔技術(shù)，此次測試的目的層有2層，分別為1號砂層組和2號砂層組。其中，1號層地層壓力系數(shù)1.06，地層溫度150℃左右，孔隙度7.1%～14.6%，滲透率0.37～11.59mD；2號層地層壓力系數(shù)1.48，地層溫度140℃左右，孔隙度11.9%～15.2%，滲透率3.15～12.26mD。1號層采用后效射孔技術(shù)負(fù)壓射開，2號層采用常規(guī)負(fù)壓射孔技術(shù)射開。后效射孔采用的技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 后效射孔射開1號層的技術(shù)參數(shù)

射孔作業(yè)時(shí)采用高速脈沖壓力計(jì)對后效射孔數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣分析，發(fā)現(xiàn)射孔前管柱靜壓為31.4MPa，在15.097s時(shí)射孔槍起爆，最大爆燃峰值為72.1MPa，在15.131s時(shí)后效體爆燃峰值為55.8MPa，在15.270s時(shí)射孔彈和后效體作用結(jié)束，井筒內(nèi)最低壓力值為23.0MPa，同時(shí)地層介質(zhì)開始進(jìn)入井筒，井筒內(nèi)介質(zhì)壓力有所升高。

經(jīng)過測試和計(jì)算，采用后效射孔技術(shù)的1號層表皮系數(shù)為3，而采用常規(guī)負(fù)壓射孔技術(shù)的2號層表皮系數(shù)為14，使用后效射孔技術(shù)地層表皮系數(shù)比常規(guī)負(fù)壓射孔技術(shù)降低了78.6%，有效降低了射孔給孔道周圍巖層帶來的壓實(shí)污染。

3.2 南海東部油田

南海東部油田探井T在鉆桿測試時(shí)使用后效射孔技術(shù)，測試的目的層為砂巖層位。該油層的地層壓力系數(shù)1.01，地層溫度125.6℃，測試厚度5.1m，平均孔隙度13%，滲透率10mD，屬于致密砂巖。采用后效射孔TCP負(fù)壓射開測試層位，具體技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 后效射孔射開測試層位的技術(shù)參數(shù)

后效射孔作業(yè)結(jié)束后，測試時(shí)采用12mm油嘴進(jìn)行求產(chǎn)，計(jì)算得到日產(chǎn)油約150m3，而該油層預(yù)期日產(chǎn)油20m3，超出計(jì)劃日產(chǎn)油量的6.5倍。該井的成功測試，標(biāo)志著后效射孔技術(shù)在南海東部的應(yīng)用取得了初步成效。

4 結(jié)論及建議

1)后效射孔技術(shù)瓦解影響孔眼滲流的壓實(shí)層，減少地層污染，同時(shí)大幅度增加孔眼導(dǎo)流能力，有效改善了目前射孔工藝射孔能量利用率低，地層污染嚴(yán)重的問題。

2)后效射孔技術(shù)能夠擴(kuò)大孔徑，增加孔道滲流面積，改變孔道幾何形態(tài)，增加孔眼導(dǎo)流能力，有效降低孔道周圍的壓實(shí)污染。鋼靶試驗(yàn)結(jié)果表明后效射孔所形成的射孔孔徑增大22.6%，孔道容積增加44.9%；標(biāo)準(zhǔn)混凝土靶試驗(yàn)結(jié)果表明后效射孔所形成的射孔深度增加22.3%，孔徑增加19.2%，后效射孔形成的孔道周圍為均勻開放的狀態(tài)；滲流效果試驗(yàn)結(jié)果表明后效射孔形成的孔道流動效率比常規(guī)射孔形成的孔道提高了38.0%。

3)東海油田采用后效射孔技術(shù)后地層表皮系數(shù)比常規(guī)負(fù)壓射孔技術(shù)降低了78.6%，南海東部油田采用后效射孔技術(shù)后日產(chǎn)油量超出預(yù)期計(jì)劃的6.5倍，顯著提升了油田產(chǎn)量。

4)后效射孔技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，在海上油田的應(yīng)用獲得成功，具有廣闊的應(yīng)用前景。