Data Analysis of Dynamic Testing of Downhole Hybrid Perforating and Deflagration*

LEI Xiao，PEI Dongxing*，CUI Chunsheng，ZHANG Hongyan

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement and Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China)

Data Analysis of Dynamic Testing of Downhole Hybrid Perforating and Deflagration*

LEI Xiao1，2，PEI Dongxing1，2*，CUI Chunsheng1，2，ZHANG Hongyan1，2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement and Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China)

To deeply study the working mechanism of hybrid perforator，the downhole dynamic data of 4 perforation/ fracturing completion technique:conventional perforating，built-in type hybrid perforating，stimgun type perforating，and deflagration fracturing was obtained by using high-speed downhole tester，these data was analyzed combining with the operational process parameters.Data analysis show that the peak pressure of four kinds composite perforation is between 30 MPa～140 MPa;and pressure pulse duration varied widely because of different working mechanism:deflagration fracturing has the longest event time 305 ms，conventional perforating event time is just 0.272 ms;the downhole dynamic pressure effect of composite perforator mainly depends on the composite powder charge and blasting methods.These real datas provide an important reference for the establishment of the underground complex dynamic process model and enhancement of composite perforation performance.

dynamic pressure;data analysis;deflagration;fracturing;oil downhole

復(fù)合射孔技術(shù)是射孔技術(shù)和高能氣體壓裂技術(shù)有機(jī)結(jié)合對地層進(jìn)行復(fù)合作用，綜合改善油層，達(dá)到增產(chǎn)的目的［1］，其工藝是否合理直接影響油井產(chǎn)量的高低和射孔作業(yè)的安全。

我國于上世紀(jì)80年代初開始對復(fù)合射孔技術(shù)進(jìn)行研究，到目前為止，已經(jīng)在一些油田進(jìn)行了運(yùn)用，但由于對于該技術(shù)的機(jī)理缺乏研究，以及相應(yīng)的研究手段和試驗(yàn)手段的限制，都沒有解決復(fù)合射孔技術(shù)關(guān)鍵的技術(shù)難題［2-3］。射孔和壓裂過程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的測量和分析能夠?yàn)檠芯亢徒⒕聫?fù)合射孔數(shù)值模型，提高復(fù)合射孔器設(shè)計(jì)水平，優(yōu)化施工工藝設(shè)計(jì)，分析和評價(jià)射孔器的井下工作性能以及完井效果提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)［4-6］。復(fù)合射孔最終的質(zhì)量控制是精確地預(yù)測和記錄井下動(dòng)態(tài)過程的能力，缺少這種能力就不能使復(fù)合射孔技術(shù)充分發(fā)揮其效果。

文中利用研制的高速井下動(dòng)態(tài)壓力測試儀進(jìn)行了常規(guī)射孔、內(nèi)置式復(fù)合射孔、袖套式復(fù)合射孔、爆燃壓裂等井下實(shí)測，分析了各種完井方式的井下工作機(jī)理和特點(diǎn)。通過多種類型射孔器井下實(shí)測數(shù)據(jù)采集和分析，一方面為每口井選擇最合理的完井射孔工藝提供技術(shù)支持，便于油氣井的精細(xì)化管理;同時(shí)也為射孔器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)，從而提升射孔/壓裂的完井效果，提高油氣井產(chǎn)量。

1 復(fù)合射孔器工作原理及測試

1.1 復(fù)合射孔器工作原理

在特制的復(fù)合射孔器體內(nèi)，含有兩種作用性質(zhì)完全不同的高能量源:聚能射孔的炸藥和壓裂的火藥(固體推進(jìn)劑)。同時(shí)引爆或控制其起爆歷程的瞬態(tài)時(shí)間差，保證兩次能量的分步做功，從而使射孔和高能氣體壓裂作用結(jié)合起來。如圖1所示，作業(yè)時(shí)射孔彈首先穿透槍身、目的層套管、水泥環(huán)，在油氣層中形成射孔孔眼;然后固體推進(jìn)劑爆燃形成高能氣楔瞬時(shí)跟上，射孔孔道在膨脹擠壓和尖劈作用下產(chǎn)生徑向和軸向的裂縫，并向多方擴(kuò)展延伸，形成多向網(wǎng)狀微裂縫。最終，在地層中形成一種孔縫結(jié)合型的超穿深多相位裂縫，實(shí)現(xiàn)以在近井帶大幅度增加滲流面積為主要特征的高導(dǎo)流區(qū)，從而徹底解除了污染，達(dá)到了大幅度增產(chǎn)增注的目的，有效地提高產(chǎn)能。井下復(fù)合射孔爆燃?xì)怏w壓裂過程是爆炸力學(xué)、流體力學(xué)、斷裂力學(xué)、巖石(固體)力學(xué)等綜合作用［7］。到目前為止，復(fù)合射孔裝置設(shè)計(jì)主要以地面靶試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)施效果作參考。但實(shí)際應(yīng)用中儲層環(huán)境千變?nèi)f化，要指導(dǎo)具體復(fù)合射孔設(shè)計(jì)，尤其是壓裂用的推進(jìn)劑裝藥設(shè)計(jì)，增大現(xiàn)場施作成功率，提高長期效益，還需要更好地了解該技術(shù)井下爆燃荷載特性、油井和巖層動(dòng)態(tài)響應(yīng)等，因此復(fù)合射孔的井下實(shí)測與分析意義重大。

圖1 井下復(fù)合射孔器工作原理圖

1.2 高速井下測試儀

文中所用的實(shí)測數(shù)據(jù)均來自本實(shí)驗(yàn)室自行研制的高速石油井下P-t測試儀，該型測試儀可用于電纜和油管傳輸(TCP)時(shí)射孔壓裂的環(huán)空壓力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測試，采用SoC技術(shù)能夠極大的提高芯片的集成度，縮小電路系統(tǒng)的體積，同時(shí)可以在芯片設(shè)計(jì)中充分考慮降低功耗的問題。壓力測試范圍達(dá)到了0～210 MPa，采用了智能內(nèi)觸發(fā)方式，射孔過程中壓力采樣頻率能達(dá)到125 ksample/s，測試精度為1%F.S，充分保證了采集過程中數(shù)據(jù)的完整性。目前該型測試儀被鑒定為國際領(lǐng)先水平，已在國內(nèi)各大油田以及知名公司取得廣泛應(yīng)用，圖2為測試儀結(jié)構(gòu)圖。

圖2 高速井下測試儀結(jié)構(gòu)圖

2 現(xiàn)場條件與實(shí)測數(shù)據(jù)

2.1 常規(guī)射孔及數(shù)據(jù)分析

常規(guī)射孔器不使用推進(jìn)劑等增效能源，內(nèi)部的聚能射孔彈產(chǎn)生金屬射流直接射穿套管、固井水泥以及鉆井損壞區(qū)到達(dá)含油層，使原油流到套管內(nèi)［8-9］。起爆后射孔彈序列引爆，炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波以及殘留氣體使射孔器劇烈震動(dòng)。圖3曲線是127 mm常規(guī)射孔器的實(shí)測曲線，作業(yè)信息為:井深2 513 m低滲砂巖構(gòu)造，直井電纜輸送射孔，套管鋼級J-55，套管規(guī)格139.7 mm，壁厚7.72 mm，射孔厚度3 m。射孔彈16發(fā)/m，彈型DP44RDX38-3，每發(fā)彈含RDX 38 g。

圖3常規(guī)射孔井下實(shí)測曲線

圖3 顯示15 ms時(shí)間內(nèi)按125 k點(diǎn)/s高速記錄的某常規(guī)射孔起爆后的井下實(shí)測壓力和加速度曲線，記錄儀放置在射孔器的上部，點(diǎn)火后2.7 ms壓力信號到達(dá)該位置。該圖的2.7 ms時(shí)間內(nèi)是射孔器未點(diǎn)火時(shí)井內(nèi)液體的靜壓，2.7 ms～5 ms時(shí)間內(nèi)射孔完成。射孔彈爆炸后形成高速金屬射流穿透射孔器外殼，繼而炸藥的保留氣體劇烈膨脹并從形成的孔眼中噴出，在井下環(huán)空形成一個(gè)動(dòng)態(tài)壓力脈沖。實(shí)測曲線中壓力脈沖是所有射孔彈爆炸的保留氣體產(chǎn)生的，壓力最大值72 MPa，壓力脈沖時(shí)間0.272 ms。圖3上部曲線是射孔時(shí)記錄儀感受到的加速度信號，該加速度信號顯示壓力脈沖峰值附近震動(dòng)劇烈。

2.2 內(nèi)置式復(fù)合射孔曲線

內(nèi)置式復(fù)合射孔器在射孔彈之間加裝增效火藥藥餅，工作時(shí)射孔彈、導(dǎo)爆索爆炸產(chǎn)生的高溫、沖擊波及飛片點(diǎn)燃火藥，火藥藥餅的著火點(diǎn)很多，迅速爆燃。為了防止內(nèi)部瞬間壓力過大超過射孔器外部殼體的強(qiáng)度極限，保證射孔器的安全，通常在其殼體上預(yù)設(shè)壓力泄放孔。

圖4曲線是外徑102 mm內(nèi)置式復(fù)合射孔器的井下實(shí)測曲線，實(shí)際射孔井深1 100 m低滲砂巖構(gòu)造，井內(nèi)液體為清水，套管鋼級J-55，套管規(guī)格139.7 mm，壁厚7.72 mm，直井電纜輸送射孔，射孔厚度2.5 m。16發(fā)射孔彈/m，射孔彈類型為DP44RDX38-3;推進(jìn)劑藥餅采用雙鉛-Ⅱ，安放在各射孔彈之間，藥餅直徑49 mm，厚度10 mm，裝藥總重量1.4 kg。

圖4 內(nèi)置式復(fù)合射孔井下實(shí)測曲線

測試時(shí)記錄儀放置在射孔器的底部，圖4顯示25 ms時(shí)間內(nèi)按125 k點(diǎn)/s高速記錄的井下實(shí)測曲線，下部曲線為環(huán)空壓力信號，上部曲線為射孔器質(zhì)心加速度信號。圖中下部曲線的時(shí)間零點(diǎn)部分是未點(diǎn)火時(shí)井內(nèi)液體的靜壓。起爆后，射孔彈的炸藥爆炸產(chǎn)生的氣體使壓力迅速上升，上升時(shí)間約60 μs。火藥被射孔彈爆炸產(chǎn)物點(diǎn)燃開始劇烈燃燒，并產(chǎn)生大量高能氣體。在炸藥爆炸壓力達(dá)到峰值時(shí)，火藥爆燃產(chǎn)生的大量高能氣體使環(huán)空壓力進(jìn)一步升高，在圖中8 ms時(shí)刻壓力達(dá)到峰值約61 MPa。隨著壓力升高，地層被壓裂開，大量高能氣體進(jìn)入地層。此后火藥繼續(xù)燃燒，但是壓力卻有所降低，特別是11 ms時(shí)刻壓力有個(gè)較大的突降是由于巖層在高壓力作用下產(chǎn)生較大裂縫引起的。12.5 ms時(shí)火藥爆燃結(jié)束，壓力脈沖持續(xù)時(shí)間約10 ms。此后，隨著壓裂面積繼續(xù)增大，產(chǎn)生的氣體溫度降低和體積膨脹，從而導(dǎo)致壓力逐漸降低。圖中上部的曲線是射孔時(shí)記錄儀感受到的加速度信號，該加速度信號顯示射孔器起爆到爆燃結(jié)束時(shí)，射孔器軸向震動(dòng)劇烈，峰值達(dá)到10 000 gn，爆燃結(jié)束后，加速度信號周期變長峰值降低。理論上來講，射孔器下部的壓力將被增強(qiáng)，因?yàn)橐莻€(gè)向下的過程，但是它上部的壓力逐步減弱因?yàn)槿急絹碓竭h(yuǎn)［10］。

2.3 外套式復(fù)合射孔

固體推進(jìn)劑經(jīng)特殊的工藝被鑄造為圓筒形狀，套裝在在射孔器外圍，形成射孔壓裂復(fù)合裝置。這種類型的復(fù)合射孔器具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn):推進(jìn)劑裝配在射孔器外部，直接與井內(nèi)液體接觸;被射孔彈射流點(diǎn)燃后，在井內(nèi)產(chǎn)生高壓氣體直接作用于地層;相對于內(nèi)置式裝藥，固體推進(jìn)劑點(diǎn)火點(diǎn)少且數(shù)量和位置固定，瞬間峰值壓力低，燃燒和壓力作用時(shí)間長，能夠有效保護(hù)套管以及射孔器安全;外套式推進(jìn)劑必須在一定井液壓力作用下才可被聚能射流點(diǎn)燃，本質(zhì)安全性高。

圖5 外套式復(fù)合射孔實(shí)測曲線

施工井地層類型為砂泥巖互層，密度(2.58～2.70)×103 kg/m3，滲透率2～5，孔隙度12.3，楊氏彈性模量1.2～2.2×104MPa，泊松比0.161～0.213。套管尺寸外徑139.7 mm，壁厚7.72 mm，套管鋼級P110。射孔段1 689.2 m～1 691.2 m，井溫70℃，人工井底1 900 m。預(yù)備在其7 in套管中進(jìn)行復(fù)合射孔完井，射孔器長度2.5 m，外徑102 mm，孔密16孔/m。使用外套式固體推進(jìn)劑內(nèi)徑103.5 mm，外徑120.5 mm，長度1.5 m。

射孔器外套定形藥筒，射孔彈射穿地層的過程中引燃藥筒中的火藥產(chǎn)生高能氣體，該氣體沿射孔孔眼進(jìn)行壓裂，增大壓裂面積［11］。壓力上升時(shí)間80 μs，峰值壓力71 MPa，壓力大于30 MPa的有效壓裂作用時(shí)間接近113 ms。外套式復(fù)合射孔時(shí)射孔彈的保留氣體產(chǎn)生了一個(gè)預(yù)壓，這改變了隨后的推進(jìn)劑燃燒速率。380 ms至830 ms之間的相對平緩的波形是之前的動(dòng)態(tài)壓力脈沖傳到井底并被反射回來的壓力波，但是該壓力波已經(jīng)發(fā)生了較大的衰減和彌散。

2.4 火藥爆燃壓裂曲線

該曲線是大慶某老井爆燃壓裂改造的實(shí)測壓力曲線，改造層段1 175.3 m～1 130.3 m;已有射孔井段1 207.1 m～1 130.3 m，12孔/m。

壓裂彈一級裝藥類型雙石火藥:10 MPa/25℃條件下燃速10 mm/s，規(guī)格:φ55x500;裝藥量:6發(fā)，每發(fā)藥量2 kg，一級裝藥量計(jì)12 kg。二級裝藥類型雙芳3火藥，10 MPa/25℃條件下燃速7 mm/s，規(guī)格:φ55x500;裝藥量:5發(fā)，每發(fā)藥量2 kg，二級裝藥量計(jì)10 kg。共用藥11發(fā)，設(shè)計(jì)總裝藥量:22 kg。設(shè)計(jì)點(diǎn)火藥塊:60塊;井內(nèi)注入清水，液面至地面以下100 m。

在該爆燃完井工藝中采用了多級火藥壓裂技術(shù)。導(dǎo)爆索被起爆后順序引燃各點(diǎn)火塊，在100 ms時(shí)刻導(dǎo)爆索和點(diǎn)火塊產(chǎn)生的氣體形成了第1個(gè)相對較窄的壓力脈沖，如圖6中曲線，持續(xù)2.25 ms，起爆壓力峰值65.5 MPa。之后點(diǎn)火塊開始點(diǎn)燃各級火藥，在43 ms后第1級火藥產(chǎn)生的氣體開始迅速升壓，壓力達(dá)到了30 MPa左右，上升速度0.67 MPa/ms，持續(xù)約50 ms。當(dāng)井內(nèi)壓力超過地層壓力后，大量高能氣體進(jìn)入地層，重新更大范圍地壓裂地層。壓裂被引燃的慢燃速的第2級火藥在一級火藥升壓的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增壓，上升速度0.25 MPa/ms，在350 ms時(shí)刻壓力達(dá)到峰值46.3 MPa，火藥燃燒基本完畢。之后隨著壓裂面積擴(kuò)大，生成的高溫高壓氣柱膨脹，以及溫度降低，壓力開始逐步降低，大于30 MPa的火藥總壓裂時(shí)間305 ms。因?yàn)樵摼且豢谝呀?jīng)壓裂過的老井，不容易形成新的大裂縫，以疏通堵塞、結(jié)蠟的已有裂縫為主，在此基礎(chǔ)上壓裂新的網(wǎng)絡(luò)裂縫，因此該測試曲線壓裂過程沒有明顯的地層開裂導(dǎo)致的壓力突降。但是，其壓裂持續(xù)時(shí)間很長，能夠壓裂和溝通的面積大，對地層的作用效果是非常明顯的［12］。整個(gè)壓裂過程除了起爆過程上升沿較快外，其他升壓過程相對較緩，均為毫秒級，這是火藥的燃速?zèng)Q定的。

圖6 火藥爆燃壓裂曲線

3 數(shù)據(jù)分析小結(jié)

常規(guī)射孔器不含增效火藥，起爆后井下的動(dòng)態(tài)壓力脈沖是由射孔彈中炸藥爆炸后生成氣體形成的，氣體量不大，因此常規(guī)射孔壓力持續(xù)時(shí)間比較短。根據(jù)目前測到的數(shù)據(jù)，長度小于4 m的射孔器壓力脈沖時(shí)間0.2 ms～0.8 ms。

由實(shí)測曲線可以看到，內(nèi)置式復(fù)合射孔工藝產(chǎn)生的壓力脈沖上升沿很陡，是射孔彈中炸藥生成的氣體產(chǎn)生的，緊接著被點(diǎn)燃的火藥迅速爆燃并產(chǎn)生大量高能氣體，炸藥和火藥產(chǎn)生的壓力疊加在一起產(chǎn)生一個(gè)高壓脈沖，兩個(gè)過程在曲線波形上重疊不容易分開。內(nèi)置復(fù)合射孔一次下井完成射孔和壓裂兩種工藝，產(chǎn)生的高能氣體沿射孔孔眼進(jìn)行壓裂，溝通更大的導(dǎo)流面積，消除射孔形成的壓實(shí)帶，提高射孔孔道的導(dǎo)流能力。

外套式復(fù)合火藥燃燒產(chǎn)生高壓對射孔孔道和地層壓裂，一次施工實(shí)現(xiàn)射孔、高能氣體壓裂兩種工藝，改善損壞的近井帶滲透性，增加滲流面積。復(fù)合火藥燃燒對射孔器本身影響較小，對管柱更安全;裝藥量大能夠達(dá)到3 kg/m～5 kg/m，壓力峰值大，燃燒時(shí)間長超過110 ms，壓力作用效率高，特別適用于低孔、低滲地層。

井下作業(yè)中爆燃壓裂工藝生成高能氣體量大，壓裂時(shí)間長，利用高能氣體的壓力和熱力作用對射孔孔眼進(jìn)行解堵，大面積改善目的層的滲透性，增強(qiáng)導(dǎo)流能力達(dá)到增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的目的。

4 結(jié)論

本文對應(yīng)用廣泛的常規(guī)、內(nèi)置式、外套式、爆燃壓裂4種射孔/壓裂完井工藝進(jìn)行了井下動(dòng)態(tài)實(shí)測，并結(jié)合施工工藝參數(shù)對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。可以得出以下結(jié)論:①井下壓裂時(shí)間的主要能量來自于火藥，射孔彈中的炸藥貢獻(xiàn)的能量不超過5%，但是其爆炸生成物決定著后續(xù)火藥燃燒的環(huán)境條件。②外套式復(fù)合射孔將壓裂火藥安放在射孔器外部，對管柱安全，壓裂時(shí)間可以超過110 ms;內(nèi)置式射孔器無需在外部安裝附屬裝置，壓裂藥燃速快，增效藥量的設(shè)計(jì)受射孔器殼體強(qiáng)度限制，壓裂時(shí)間一般在30 ms以內(nèi)。③火藥爆燃壓裂借助對燃速不同的多級火藥的設(shè)計(jì)可以調(diào)整壓力上升時(shí)間，能夠?qū)Φ貙赢a(chǎn)生大壓力長時(shí)間的壓裂。

油氣井下充斥著油層、氣層、水層，射孔環(huán)境復(fù)雜惡劣、各種影響因素較多，射孔質(zhì)量的優(yōu)劣，將直接影響著油井的產(chǎn)油率和生產(chǎn)成本。井下實(shí)測數(shù)據(jù)分析能給井下復(fù)合射孔模型的建立提供重要理論依據(jù)，為改進(jìn)射孔工藝評價(jià)射孔質(zhì)量提供了重要的參照，促使我國的原油的開采更加高效合理。

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雷霄(1987-)，男，碩士，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測試與智能儀器，復(fù)合射孔研究，flffie1234@126.com;

裴東興(1970-)，男，教授，山西省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測試與校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)壓縮及信息處理、自動(dòng)控制，peidongxing@nuc.edu.cn。

復(fù)合射孔及爆燃壓裂動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)分析*

雷霄1，2，裴東興1，2*，崔春生1，2，張紅艷1，2
(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

為了深入研究復(fù)合射孔器工作機(jī)理，利用高速井下測試儀全面獲取了常規(guī)、內(nèi)置式、外套式、爆燃壓裂四類射孔/壓裂完井工藝的井下動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并結(jié)合施工工藝參數(shù)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。數(shù)據(jù)分析顯示，四類復(fù)合射孔測試的峰值壓力在30 MPa～140 MPa之間;壓力脈沖持續(xù)時(shí)間因工作機(jī)理不同相差很大:爆燃壓裂時(shí)間最長為305 ms，常規(guī)射孔最短為0.272 ms，井下動(dòng)壓作用特性主要取決于復(fù)合火藥裝藥量和起爆方式。這些實(shí)測數(shù)據(jù)為建立井下復(fù)合射孔動(dòng)態(tài)過程模型和提升復(fù)合射孔器性能提供了重要的參考依據(jù)。

動(dòng)態(tài)壓力;數(shù)據(jù)分析;爆燃;壓裂;石油井下

TE937

A

1004－1699(2014)03－0337－05

2013-08-27修改日期:2014-03-07

C:7230

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.012

項(xiàng)目來源:山西省回國留學(xué)人員重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2008003)