川西海相碳酸鹽巖儲層射孔效率測試評價試驗

羅 偉

(1.南充職業技術學院機電工程學院，四川 南充 637131；2.中國石化西南油氣分公司，四川 德陽 618000)

川西海相碳酸鹽巖儲層具有埋藏深、孔隙度低、滲透率低的特點，儲層整體較為致密，因此大規模的酸化改造是獲得其產量的必要關鍵技術，但前期改造過程中，普遍存在射孔后地層吸液困難、改造難度大的問題[1]。儲層反映出地層破裂壓力高，除與本身物性相關以外，同時射孔后形成的孔道形態(包括穿深、孔徑、杵體等)也會對其產生較大影響[2]。考慮到川西海相儲層整體致密、圍壓高、溫度高以及射孔彈能否有效穿透泥漿污染帶和井眼應力集中帶等難以確定的問題，同時通過SPAN等理論校正模型得到的結果又存在較大的偏差[3-6]。因此，有必要開展模擬真實儲層環境下的巖石靶射孔效率測試試驗，找出川西海相儲層破裂壓力高、地層吸液難的主要矛盾，為后期改造采取針對性的降破措施提供依據[7-10]。

1 巖石靶制備及抗壓強度測試

1.1 巖石靶制備

巖石靶的巖芯取至川西海相儲層巖石露頭，包括3種白云巖：灰云巖、藻云巖和微粉晶巖，共計25根巖芯。巖芯直徑152 mm，由于天然取樣加工時裂紋的存在，使得巖芯高度不一。巖芯裝入直徑350 mm靶套內，靶套為A3鋼板，厚度3 mm，在巖芯和鋼板靶套之間用水泥固定。為保證水泥的固化，養護天數不少于28 d，在養護期間，頂面覆蓋100 mm深的清水。

1.2 巖石抗壓強度測試

為了解3種巖芯的物理特性，對其進行了單軸抗壓強度測試。采用TYE-300C型壓力試驗機，載荷上限300 kN，加載速率設置為1.2 kN/s，圓柱體(尺寸為φ25×50 mm)巖芯樣塊面積設置為5 cm2。試驗結果如表1所示。

表1 圓柱體巖芯試驗數據

2 地面巖石靶射孔測試

地面巖石靶射孔測試主要評價射孔彈在模擬裝槍時對川西海相儲層3種巖石靶的穿透性能。測試采用89型超高溫射孔彈，耐溫220 ℃/100 h，該射孔彈通過API 19B認證；炸藥采用高爆速超高溫LLM-105炸藥，裝藥量28 g；混凝土靶穿孔深度947 mm，孔徑9.2 mm。

2.1 試驗方法

在巖石靶頂面裝配好測試的射孔彈，采用模擬裝槍的方式，槍內炸高與實際裝槍炸高一致，模擬槍厚5 mm，槍套間隙與實際情況一致并注入清水，模擬套管壁厚10 mm，且保證射孔彈中心線與巖石靶的中心重合，具體測試裝配如圖1所示。試驗時連接導爆索和雷管，射孔彈起爆后將靶套用切割機切開，再去掉約束水泥，測量巖芯內的射孔穿深和模擬套管上的射孔孔徑。

圖1 地面巖石靶射孔的測試裝配Fig.1 Perforation experiment facility of the ground target

2.2 試驗結果

2.2.1 射孔孔道形態

巖石靶剖開后巖芯破壞情況如圖2所示，由于3種白云巖的強度高、脆性高，射孔后巖石整體破碎程度比較嚴重。巖石靶頂部無水泥環，直接正對射孔彈爆炸沖擊，致使3種巖芯端面射孔孔道破壞。

圖2 巖石靶剖開巖芯破壞情況Fig.2 Core damage of the rock target cut open

灰云巖的孔眼形態如圖3所示，射流形成的射孔孔道又直又粗。從局部放大區域可以看出，射孔孔道四周碎成小顆粒形成壓實帶，如圖中孔道周圍的淺色粉末層；離射孔孔道較遠區域為破碎區，在射流的沖擊作用下形成一些不規則的微裂隙，具體如圖黑色虛線框內所示；在射孔孔道末端由于射流的持續沖擊形成了一個橢圓形溝槽，并形成了幾條微裂縫。

圖3 灰云巖射孔孔道Fig.3 Perforation channel of limestone

由于藻云巖的脆性更大，膠結強度更低，在射流的沖擊作用下，巖芯整體破碎較嚴重，造成射孔孔道不連續，并且在射孔孔道末端形成的裂縫更明顯、更長(見圖4)。

圖4 藻云巖射孔孔道Fig.4 Perforation channel of algae limestone

對于微粉晶巖，形成的射孔孔道較直且一致性好，由于質地細膩，形成的破碎區較小；在射孔孔道末端，形成的大面積射流噴濺與巖石天然裂縫剛好接合(見圖5)。

圖5 微粉晶巖射孔孔道Fig.5 Perforation channel of micro powder crystal limestone

從圖3～圖5可以看到，3種巖石的射孔孔道內都存在大量的杵體，形成杵體的主要原因為巖芯強度高，金屬射流端部速度下降太快，射流未能充分拉伸，出現射流堆積現象，導致射孔孔道內形成大量杵體。

2.2.2 數據測量

測試結果如表2所示。

表2 地面巖石靶射孔測試結果

3 模擬儲層環境巖石靶的射孔測試

模擬儲層環境巖石靶的射孔測試主要是評價在高溫及儲層圍壓的約束條件下，射孔彈在模擬裝槍時對川西海相儲層3種巖石靶的穿透性能。

3.1 試驗方法

1)巖石靶制備。測試所用的巖芯，用3 mm的膠皮包裹后直接裝入156 mm的靶套內固定，巖芯及靶套長度比射孔彈預計穿深大100 mm，靶套頂部預制10 mm的模擬套管，在模擬套管和巖芯上端面之間裝入相應的水泥環，進而模擬射孔彈井下最真實的穿透結構。

2)測試裝配結構與試驗流程。模擬儲層環境下巖石靶射孔測試裝配結構與地面巖石靶射孔測試裝配結構類似，不同點只是將裝配好的試驗測試靶放入高溫高壓容器內，然后關閉容器上蓋，連接數據線，啟動溫度控制系統，保溫至預設溫度160 ℃；保溫10 h后，啟動壓力控制系統，加壓至預設圍壓60 MPa，打開爆速測量儀，點火引爆試驗射孔彈，記錄爆速和瞬態壓力變化；最后啟動冷卻系統，將試驗容器溫度降至80 ℃后，釋放容器壓力，拆除數據線，打開容器上蓋，提出試驗測試靶，進行觀察及數據測量。

3.2 試驗結果

1)射孔孔道形態。以灰云巖為例(見圖6)，由于受水泥環、靶套以及圍壓的影響，經射流作用后的巖芯端面完整性保存較好，巖芯無破碎現象，但肉眼可見幾條明顯的裂紋，沿射流穿孔方向延伸。對于3種巖石在模擬儲層環境下(見圖7～圖9)，射流形成的孔道都較直、較粗，且一致性較好；射孔孔道周圍均形成20 mm左右的白色壓實帶區域；在射流沖擊作用下孔道末端均產生橫向裂縫；孔道內射流杵體堆積嚴重，杵體將孔道全部填滿，且水泥環和模擬套管孔眼均被杵體填滿。

圖6 巖石靶剖開巖芯破壞情況Fig.6 Core damage of the rock target cut open

圖7 灰云巖射孔孔道形態Fig.7 Perforation channel shape of limestone

圖8 藻云巖射孔孔道形態Fig.8 Perforation channel shape of algae limestone

圖9 微粉晶巖射孔孔道形態Fig.9 Perforation channel shape of micro powder crystal limestone

2)數據測量。測試結果如表3所示。

表3 模擬儲層環境下巖石靶射孔測試結果

4 結果分析

1)對比試驗時用射孔彈在混凝土靶、地面巖石靶及模擬儲層環境下巖石靶的穿透性能可知(見表4)，相對于混凝土靶，射孔彈在川西海相3種地面巖石靶的射孔穿深平均下降63%；而模擬儲層高溫圍壓情況下的射孔穿深又比地面情況平均下降了42%；在川西海相實際開發過程中，射孔彈在地下的穿深將大打折扣，地下實際穿深平均只有混凝土靶穿深的20%。

表4 射孔彈在不同條件下的穿透性能對比

2)結合川西海相儲層3 種巖石抗壓強度測試結果和地面射孔穿深測試結果(見表5)可以看出，地面射孔穿深與巖石抗壓強度成負相關，這與傳統的認識一致，進而也驗證了本次試驗結果的有效性。

表5 巖石抗壓強度與射孔穿深的關系

5 結論

1)模擬儲層環境下，89型射孔彈在川西海相3種巖石中的地下穿深相對于混凝土靶穿深下降達80%，相對于地面巖石靶穿深下降達42%，地下平均穿深只有197 mm，難以有效穿透泥漿污染帶和井眼應力集中帶，這是造成川西海相儲層破裂壓力高的重要原因。

2)地面及模擬儲層環境巖石靶射孔測試都顯示，孔道周圍會形成20 mm左右的射孔壓實帶；雖然射流沖擊會在孔道末端產生裂縫，但孔道內大量堆積的杵體限制了末端裂縫降破作用的發揮。

3)本次試驗證實了射孔穿深與巖石抗壓強度成負相關，與傳統認識吻合。

4)提高射孔彈地下實際穿深以及清潔孔眼使酸液與孔道末端裂縫能有效貫通，是川西海相儲層下一步射孔降破的有效途徑。調研發現Tristim射孔技術、自清潔射孔技術以及后效射孔技術能達到川西海相儲層降破的目的，下一步將開展應用適應性評價。