复合射孔技术在浅层气防砂中的应用

姬洪刚(中海石油(中国)有限公司天津分公司工程技术作业中心，天津 300452)

1 复合射孔防砂技术的提出

根据我国石油开采的工作需要，传统的防砂技术已经无法满足当前油田开采的防砂需求，并且由于传统的化学防砂技术和机械防砂技术对油田开采的防砂工艺投资较大，回报率较低，不符合现代化油田开采防砂需要。浅层气地址特点各不相同，通常情况下，这种传统的防砂工艺首先射孔再进行防砂施工，这种防砂效果比较受限，加大了防砂工作的投资，且回报率无法成正比，在长期的防砂工作中，无法成为常态化的防砂工作需要。与此同时，传统的防砂技术针对胶结物接触性能较差，同时以泥质为主的胶结物，胶结疏松，成岩性相对较差，使得油田开采过程中出砂比较严重，甚至生产周期比较短，无法满足长时间产出，采出程度比较差[1]。因此，为了更好地适应油田开采防砂工作，复合射孔技术就被提上研究层面进行分析，借助防砂和射孔的工艺原理，有机结合在一起，这种技术与传统防砂技术相比，优点相对明显，能够完成一次性防砂工作。同时，由于这种防砂技术工艺简单、投资较小、节省资源、防砂效果突出等特征的同时存在，复合射孔技术在浅层气防砂应用中营运而生。

2 复合射孔防砂技术的工艺原理

复合射孔防砂技术是利用复合射孔弹在对套管射孔过程中，将射孔与防砂作业同时完成。其主要的工艺原理是将防砂材料填入到复合射弹孔的过程中，其复合射弹孔做密封处理工作，通过密封处理，当聚能射孔弹被引爆后，所产生的高温和高压快速穿透套管，穿过油层，形成了等同直径孔眼形状的射孔，当射孔弹起爆并发射后，所产生的温度非常高，并且温度上升速度极快，导致在射孔弹发射的路径上产生负压区[2]。当射孔弹被起爆发射到套管的底部时，就会以高速、高压的形式撞击岩层，从而使装入射孔弹内的易燃易爆物品产生爆炸，通过这种方式，可以将防砂材料从射孔弹孔眼形状之中喷出，从而就产生了一道具有致密性的防砂层，以此来达到防止油井出沙的目的。

复合射孔弹防砂技术的实际操作，主要由以下部分组成：一是射孔弹射孔，顾名思义就是采用现代化技术，在油田中射出比较理想化的孔道；二是通过使用火药，在符合射孔孔道内点火，形成高压，迫使孔道压开压实层和污染层，这样做的目的是在油层和井筒之间建立渠道，以达到清堵和压裂的目的；三是通过火药的助推作用，将防砂材料射入由孔弹打出的孔道之中，最终形成防砂作用；四是当射孔弹内的火药燃烧结束后，孔道和井孔压力会降低，油层不断收缩回填孔道，压实防砂塞，形成具有的胶结结构，完成防砂工作。

3 复合射孔弹物理研究

3.1 复合射孔弹技术优点

复合射孔弹相比较于传统的化学防砂和机械防砂工艺而言，具有比较明显的优势，主要集中在以下两个方面：一是针对施工油井的不同情况，可以选择很多种射孔段，这样可以帮助相关工作技术人员能够控制油井的气、油和水的流量。举个例子，当工作人员遇到油田稠油区块时，利用射孔弹的分层增注增产效果，这样的施工效果是保护射孔防砂的最好作业方式。二是复合射孔弹防砂技术操作简单，防砂的时间比较长，在传统的化学防砂和机械防砂措施中，虽然能起到一定的防砂效果，但油田的开采时间比较长，容易导致出砂问题的反复性出现，不利于作业人员的顺利开展工作[3]。但复合射孔弹的出现，延长了作业时间，防止出砂问题困扰生产，同时能够防止井壁坍塌，提高工作效率。

3.2 射孔弹防砂材料设计

传统的化学防砂和机械防砂，通常是独立运行工作，但射孔弹防砂效果，基本需要借助在复合射孔弹内部的防砂材料，针对这种情况，如何选择所需的防砂材料，需要仔细设计。想要做好油田防砂工作，必须在射孔弹内装入足够多的防砂材料，这样做的目的是一次性将所需防砂材料喷出，避免防砂材料的不足，导致工作效率低下。同时，还得保证所选择的防砂材料在射孔弹中均匀分布，避免在射孔弹内出现空气或材料沉淀现象的发生，这样做的目的是防止在射孔弹引爆后无法形成防砂层，避免浪费资源。这种高温度和高气压对于射孔弹的质量要求极高，必须保证管柱及管套的质量满足爆炸要求，才能对射孔技术产生明显效果。

3.3 复合射孔弹理论和结果研究

经过相关领域科学研究，并借助计算机模拟软件实验计算，得出射孔弹射流头部的速度数据为6 729 m/s，碰撞时的物理强度50 MPa时，射流临界速度达到1 043 m/s，而从碰撞刚好接触到射孔弹喷射时间为80～150 ms，根基理论计算，复合射孔弹的封堵塞在到达前仓的底部时间通常为60～100 μs。通过上述数据的分析，建立动画模拟实验，可以清晰的看见整个防砂工作的流程，对于今后的工作设计和作业人员的工作开展都具有较强的借鉴价值和参考意义。

4 复合射孔室内实验模拟研究

复合射孔室内实验模拟研究可分为单发模拟试验和整枪模拟试验。单发模拟试验设计的主要目的是制造出类似于射孔枪的封闭体系，利用这个体系，使复合射孔器在这个体系中作业，从而得到模拟射枪内的实际过程。这个试验在射孔弹爆炸的瞬间，射孔枪内的温度急剧上升，枪内的压力也在升高，在这个有限的空间内，温度和压力直接推进了防砂材料，待射孔打出通道后，枪内的温度和压力就逐渐降低，形成与外界平衡的状态，这种模拟试验对性能的反映只是单发性，比较适合做机理性研究。而整枪模拟试验是满足井下的多发弹装在一支枪的需求，同时，由于枪内多发弹的连续引爆，导致枪内压力变化较大，从而影响防砂材料的输送，甚至出现了严重的弹内干扰，针对这种现象，采用整枪模拟试验是一种满足技术需求的技术需要，而经过行业领域的多次研究和技术调整，对弹内干扰的问题得到彻底解决，从而使得试验的各项数据和指标均与单发性实验相同，使得整枪模拟试验得到实际应用，在无法采用单发试验应用的时候，对于整枪试验的应用就显得极为重要[4]。

通过室内设计，建立一种类似于这种工作方式的模拟流程，形成一个封闭的实验体系，在这种体系中进行模拟实验，开展虚拟的作业环节，然后模拟射孔弹在设计工作中的整体过程。通过这个模拟系统，尝试模拟射孔弹在爆炸的瞬间，系统里面的压力和温度极速上升的过程，以此方式进行防砂材料的选择和分布，并分析这个压力和温度对防砂材料推进速度的影响[5]。随着射孔弹模拟射孔的作业进一步深入，爆炸后形成的金属射流，穿过枪壁套管和水泥环，从而模拟出在地层中打孔实验。

5 结语

由于化学防砂技术和机械防砂技术在油田开采过程中，存在着诸多不利于防砂的技术需要，严重制约了油田的开采。同时，这两种技术的发展已经跟不上社会发展的需要，针对这种现象，复合射孔防砂技术不断被提出来进行研究。在传统防砂技术的基础上，通过计算机的多维模拟实验，分析复合射孔防砂技术的应用前景和价值，开发出具有防砂效果好，投入资金相对少于传统防砂技术，甚至结构也相对简单的复合射孔防砂技术。在国内外油田开采过程中，油井出砂是一个普遍的问题，在这种环境下，通过大量的实验研究，发现复合射孔防砂技术防砂工序比较简单方便、防砂效果好、对地层的损伤比较小和投入资金小等优点，使得复合射孔防砂技术被逐渐重视并推广应用。实际上，复合射孔防砂技术是油田防砂领域的一种改革，在传统防砂技术基础上不断创新，彻底摆脱对传统防砂技术的依赖，以此来减少资源的浪费和成本节约，促进防砂技术跟得上社会发展的需要，满足油田开采防砂技术的需求，而复合射孔防砂技术的发明，提高了油田开采的质量，为浅层气防砂提供了先进和高效的防砂技术。这种防砂技术的应用，是一种基于传统防砂技术的突破，针对复合射孔防砂技术，其理论基础相对扎实，设计出来的技术特点也比较可靠，试验的设计具有可操作性，工艺施工流程比较简单。同时，针对后期的开采作业比较方便，对地层的损伤也比较小，防砂效果也优于传统化学防砂和机械防砂，是油田防砂技术发展的新途径。