復合射孔檢測技術現狀及其發展趨勢

李東傳,金成福,劉權民,余海鷹

(石油工業油氣田射孔器材質量監督檢驗中心,黑龍江大慶163853)

復合射孔檢測技術現狀及其發展趨勢

李東傳,金成福,劉權民,余海鷹

(石油工業油氣田射孔器材質量監督檢驗中心,黑龍江大慶163853)

介紹了復合射孔技術的原理及檢測技術的現狀。為了保證復合射孔器的安全性、可靠性和有效性,需檢測它的耐溫性能、耐壓性能、穿孔性能、破壞性及做功能力。目前常用的檢測技術有地面混凝土靶射孔試驗、地面抗爆試驗、井下動態測試、地面復合射孔單元測試和地面1 m復合射孔器測試技術。結合油田現場對復合射孔器性能的要求,提出了地面動態測試技術、耐溫耐壓檢測技術、檢測技術與優化設計相結合及檢測技術標準化等復合射孔器檢測技術的發展方向。

復合射孔;火藥;檢測技術;標準化;發展趨勢

0 引 言

國內外均有聚能射器檢測的標準[1-2],中國采用第三方監督檢驗的方式來控制產品質量,國外一般采用API產品認證的方式來檢驗產品質量。由于復合射孔技術起步相對較晚,到目前為止沒有針對復合射孔器的行業標準或國家標準。各生產廠家、用戶為了控制產品質量各自采用不同的質量標準,中國生產廠、用戶研究了各種試驗方法來評價產品質量,國外各生產廠家在加工工藝和單一產品上下功夫,并在施工前采用優化設計,施工過程中采用過程監控,施工后進行結果分析,以此保證施工作業的質量[3]。

近年來,隨著復合射孔技術的推廣應用,更加重視復合射孔器材的質量,中國的射孔器材質檢機構、復合射孔器材生產廠家都在嘗試對復合射孔器的各項產品性能進行檢驗,并取得了一定的成果。

1 復合射孔機理

復合射孔是利用火藥和炸藥兩者具有數量級之差的反應速度實現的。雷管引爆導爆索,導爆索引爆聚能射孔彈,聚能射孔裝藥首先以微秒級的時間在井筒與地層之間形成射孔通道,同時也形成了射孔損害帶[4]。聚能射孔彈爆轟的同時也點燃了火藥,火藥裝藥隨后以毫秒級的時間產生燃氣脈沖,以沖擊加載的形式沿射孔通道擠壓地層。一般認為當射孔孔道內的高能氣體壓力超過地層破裂壓力1.2倍以上才能對地層產生有效作用,峰值壓力越高,產生的裂縫越長,對地層的作用效果越好,但它不能超過套管的極限抗壓強度,否則將損壞套管[5]。

機理研究的主要方向有,①裂縫產生機理研究。李文魁等人研究了高能氣體壓力與裂縫的關系,得出了模擬巖心靶在不同圍壓及加載速率下,高能氣體壓裂可產生2～5條徑向裂縫[6];C W W ieland等人研究了推進劑生產的裂縫特點[7]。②井下壓力描述。復合射孔器射孔數值研究及高能氣體壓裂過程,控制高能氣體的作用效果和井筒內壓力波動對套管、水泥環性能的影響。建立井筒條件下氣體壓力曲線與火藥藥量、結構、裝配方式和對應關系與井下作用效果的關系。目前國外已給出了Stim gun[8]的優化設計軟件,中國的生產廠、用戶也正在研究適合自己產品的復合射孔優化設計軟件。

2 檢測技術現狀

為保證復合射孔器的安全性、可靠性和有效性,需檢測其耐溫性能、耐壓性能、穿孔性能、破壞性及作功能力。常用的檢測技術主要分3個方面。

2.1 地面混凝土靶射孔試驗[1]

按標準要求制作混凝土靶(Φ5 m×1.1 m或Φ6 m×1.1m),試驗時將裝配好的1 m復合射孔器放入套管內,居中放置,注滿清水(模擬射孔液)后進行射孔試驗。以評價其安全性能、損害情況和作用效果。

安全性能包括槍體是否有橫向裂紋、槍頭和槍尾是否脫落;損害情況包括射孔槍上孔眼處裂紋、射孔槍外徑脹大、套管內毛刺高度;作用效果包括在套管上產生的穿孔率及在混凝土靶上產生的裂縫長度、裂縫寬度、裂縫數量。由于試驗方法存在3個缺陷,①只是定性檢驗,而不能定量檢驗;②無法對比2種復合射孔器性能的優劣;③制作大直徑混凝土靶浪費大量材料,且廢靶處理困難等,目前已很少使用。

2.2 地面抗爆試驗[9]

地面抗爆試驗與地面混凝土靶射孔試驗方法相似,只是試驗目的不同,地面抗爆試驗主要檢測射孔槍變形量、穿孔參數、火藥量選取及各接頭的螺紋和密封面受沖擊載荷后狀態等參數。因此,試驗時使用的混凝土靶直徑較小,有些生產廠為了降低成本甚至選用雙層套管來代替混凝土靶。

2.3 井下動態測試技術

射孔作業時將復合射孔器與測試儀器連接,主要記錄聚能射孔過程和增效射孔氣體壓裂過程中的壓力隨時間變化曲線。測試儀器一般由傳感器、數據采集系統、數據存儲電路、電源、外部保護套筒等部分構成,是一套存儲式數據采集記錄系統,能夠自動記錄射孔作業過程中井下爆炸燃燒瞬間的各項參數,對射孔和增效射孔的施工設計、過程分析和效果評價起到非常重要的作用。國內外均使用高速壓力記錄儀[10-11]記錄井下的壓力波動,記錄儀一般可記錄復合射孔器產生的壓力、溫度和加速度等參數。

2.4 地面復合射孔單元測試技術

地面設備測試復合射孔器的壓力峰值及壓力隨時間變化曲線。選取復合射孔器的1個射孔單元[9](1發射孔彈和1個內置火藥盒)或4個復合射孔器單元[12]在其相匹配的模擬套管試驗裝置中,試驗用靶可以是混凝土靶,也可以是砂巖靶或鋼靶,測試槍內及環空動態壓力變化過程,評價火藥的性能或復合射孔器的能力。

2.5 地面1 m復合射孔器測試技術及其他輔助測試技術

將1 m復合射孔器放在混凝土靶的套管(封閉下端)中,在套管上部露出混凝土部分安裝壓力傳感器,封閉套管上部,測試套管內動態壓力變化過程。也可用雙層套管代替混凝土靶,雙層套管中間澆注混凝土并封固,套管側面非射孔方向安裝壓力傳感器,測試套管內動態壓力變化過程[13],以評價復合射孔器的能力。

輔助測試技術指測試影響復合射孔器或組件溫度、壓力等性能的指標的測試技術。包括復合射孔槍耐溫耐壓測試技術[1]以及配套雷管、導爆索耐溫(或外置式組件的耐溫耐壓)測試技術[14-15]等。

3 油田現場對復合射孔器性能的要求

油田常用的復合射孔器可分為內置式和外置式2大類。還可細分為分體式、一體式、外套式、二次增效、對稱式、雙復式等[15]。復合射孔器一般應用于井深1 000～5 000 m的薄差油層,井溫一般在50～150℃、井壓一般在20～200 M Pa的條件下。射孔時只有當產生的氣體大于某一壓力值時才能在孔道壁形成裂縫[4],從而改善孔道周圍的導流能力。因此,油田現場要求復合射孔器應具有良好的耐溫、耐壓、安全性能和做功能力。

4 檢測技術發展方向

4.1 耐溫耐壓檢測技術

復合射孔器和外置式火藥在井下直接接觸射孔液,同時受到溫度和壓力的作用,目前還沒有同時模擬溫度、壓力條件進行檢測的技術,因此須研究復合射孔器或至少是火藥模擬溫度、壓力條件進行檢測的技術。

4.2 地面動態測試技術

利用動態測試技術可以掌握復合射孔器產生的壓力的動態特征,判斷其安全性和做功能力。井下動態測試時,由于高速壓力記錄儀所安裝的位置與射孔孔眼的位置有一定的距離,其結果與實際壓力有一定誤差。室內動態測試時,傳感器的位置與射孔孔眼位置十分接近,但由于模擬條件與井下條件尚有差別,無法確定室內測試結果與實際壓力一致程度,也無法建立其與井下測試結果間的關系,限制了室內結果的應用范圍。因此須研究確定室內動態測試結果、井下動態測試結果與井下射孔孔眼實際壓力的關系,建立地面動態測試結果與井下動態測試結果的關系,以便更好地評價產品質量。

4.3 檢測技術與優化設計相結合

復合射孔器檢測的目的是了解產品質量和性能;優化設計的目的是在掌握產品性能的基礎上通過更合理的設計、施工以獲得更好的增產效果。應用地面測試結果、復合射孔器參數、油層參數預測復合射孔器在井下的作用效果,以指導設計、施工,通過井下動態檢測技術監測優化設計的效果[16]。

4.4 檢測技術標準化

復合射孔器材生產廠家眾多,不同生產廠的檢測技術各有側重且試驗條件、技術水平差別很大,因此各生產廠給出的檢測沒有可比性,這不利于用戶選擇,也不利于各廠家之間的交流。為進行一步促進復合射孔技術的發展,規范市場,應使檢測技術標準化。

5 結束語

復合射孔檢測過程中應加強數據記錄工作,并將得到的大量不同巖石特性、不同井況、不同火藥參數的 p-t曲線進行作業過程分析和效果評價,以便建立地面動態測試結果與井下動態測試結果的關系,開展檢測技術與優化設計相結合工作,將復合射孔檢測技術更好地開展起來。

[1] GB/T 20488-2006油氣井聚能射孔器材性能試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2006.

[2] APIRecommended Practice 19B,Recommended Practices fo r Evaluation of Well Perforators[S].2版. 2006.

[3] 王艷萍,黃寅生,潘永新,等.復合射孔技術的現狀與趨勢[J].爆破器材,2002,31(3):30-33.

[4] Pucknell J K,Behrmann L A.An Investigation of the Damaged Zone Created by Perforating[C] ∥SPE22811-MS,1991.

[5] 趙開良,吳永清,魏永剛.復合射孔器效能監測、對比分析及優化[J].測井技術,2007,31(1):66-71.

[6] 李文魁,吳宏利,趙蔚.高能氣體壓裂技術試驗研究[J].鉆采工藝,1997,20(6):34-37.

[7] Wieland CW,M iskimins J L,Black A D,et al.Results of a Labo rato ry Propellant Fracturing Test in a Colton Sandstone Block[C]∥SPE 102907-MS,2006.

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[9] 張國桉.復合射孔器產品質量控制方法[J].測井技術,2005,29(增刊):17-19.

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[11]袁吉誠,羅宏偉,朱涵超.復合射孔器檢測容器探討[J].測井技術,2007,31(1):72-75.

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[13]李東傳,金成福,余海鷹.復合射孔器射孔后環空壓力分布試驗研究[J].爆破器材,2009,38(1):38-40.

[14]GB/T 6273-2008油氣井用電雷管檢測方法[S].北京:石油工業出版社,2008.

[15]SY/T 6411.2-2008油氣井用導爆索通用技術條件及檢驗方法第2部分:檢測方法[S].北京:石油工業出版社,2008.

[16]劉河秀,張偉民.增效射孔工藝技術現狀及發展[J].測井技術,2003,27(5):437-440.

Statusand Trend of Compound Perforation Test Technology

L IDongchuan,JIN Chengfu,L IU Quanmin,YU Haiying
(Perforator Inspection Center of PetroChina,Daqing,Heilongjiang 163853,China)

Introduced are the p rinciple of compound perforation technology and the p resent situation of its test technology.In order to ensure security,reliability and effectiveness of the compound perforator,it is necessary to test the perforator’s temperature,p ressure,perforation,destructiveness and work performance.Now adays,f requently-used test technologies are ground concrete target perfo rating test,ground anti-exp losion test,underground dynamic test,ground composite perforating unit test and ground 1 m composite perforator test.Put forward are 4 development directions for the compound perforator test technology w ith considering oil field app lications:ground dynam ic test,temperature-p ressure test,com bination of test technology and optimal design,and standardization of test techno logy,etc.

compound perforation,exp losive,test technology,standardization,development trend

TE257.1 文獻標識碼:A

李東傳,男,1969年生,高級工程師,工程碩士,現從事射孔器材檢驗工作。

2010-12-13 本文編輯 王小寧)