硬地层自清洁射孔弹设计及应用效果

张永涛 郭圣延 陈书豪 盛廷强 石前 杜永安 王朝辉

1. 中海石油（中国）有限公司深圳分公司 广东 深圳 518054

2. 大庆油田射孔器材有限公司 黑龙江 大庆 163853

3. 中海油服油田技术事业部塘沽作业公司 天津 300450

4. 中海油服油田技术事业部深圳作业公司 广东 深圳 518054

在岩石较硬油气储层进行射孔时获得必要的穿孔深度难度很大。研究表明，射孔弹实际穿孔深度随油气储层抗压强度的提高下降非常明显，同时套管内的环空压力、储层压力都会导致穿孔深度的下降，国内这方面的研究在2010年前就已经开始[1]，国外研究更早更深入，更加重视实际模拟射孔深度和效果。

硬地层自清洁射孔弹，将硬地层射孔弹和自清洁技术相结合，在硬地层油气储层中实现更深和破除射孔压实带的清洁孔道。

1 硬地层自清洁射孔弹设计

1.1 影响射孔弹实际穿孔深度的因素

影响射孔穿深效果的因素很多，主要有射孔层岩石的性质（主要是岩石的成分、渗透率、抗压强度、孔隙度等）、储层压力、岩理纹路等。

随着射孔层岩石的抗压强度的提高，射孔弹的穿孔深度会显著下降，射流终止速度越高，可以用于破甲的长度越短，直接导致穿孔深度的降低。储层压力对射孔弹的穿孔深度的影响非常大（见图1），文献[2-3]显示，随着地层压力（围压等）的提高，穿孔深度会显著下降，实验室模拟围压实验表明，最大下降幅度可以超过50%[1]。

图1 储层压力对射孔弹穿孔深度的影响

图2 自清洁射孔孔道末端形态

1.2 硬地层自清洁射孔弹的设计

药型罩结构是射孔弹设计的关键，适合的设计结构有：双曲线结构、外曲线结构、内曲线结构、内多锥结构等[4-7]。为了延长药型罩母线长度和保持射流的连续性，提高有效射流的长度，采取渐变式内母线结构，可以提高有效射流的长度和质量，保持射流的渐变性和连续性，减少射流速度突变产生的负面影响，还能够降低生产工艺难度。

装药结构是影响射孔弹性能的最主要因素之一[6-7]。不同的装药结构可以产生不同形状的爆轰波，与壳体内表面反射的一次反射波相叠加，获得期望得到的爆轰波波形，从而增大作用在药型罩表面的爆轰波的压合角，改善药型罩形成的射流的速度和质量分布效果。经过理论分析、数值模拟和现场实验，改变常用的小锥角头部装药设计习惯，采用适当增加头部装药的大锥角设计模式。为了充分发挥药型罩靠近开口部分药型罩的作用，在设计上，有意增加这部分装药，适度提升这一部分的射流速度和利用率。这种装药结构，能够有效增加驱动药型罩向轴线汇聚的能量，提高有效射流的长度和质量。

射孔弹合压生产工艺采用小压力多次合压成型工艺，使炸药分布均匀，提高射孔弹的一致性和穿孔深度的稳定性，提高射孔弹制造过程中的安全系数。理论分析和对比实验，小压力多次压成型工艺可以提高射孔弹穿孔深度稳定性5%～15%，平均穿孔深度提升5%～8%。

2 模拟硬地层油气储层条件下射孔效果实验[8-11]

为了准确模拟深层油气储层的实际条件，获得更加贴近实际使用效果的射孔数据，进一步确定设计的硬地层油气储层条件下是否能够获得理想的穿孔效果，进行了模拟射孔效果实验。

采用API 19B[12]推荐的模拟测试装置，砂岩选择紫砂岩，孔隙度5.56%，渗透率0.14×10-3μm2，抗压强度≥100MPa，模拟井筒压力30MPa储层压力40MPa。

模拟实际射孔条件[4]下穿孔效果见表1。

表1 模拟实际射孔条件下穿孔效果

硬地层自清洁射孔弹HSR46-1和硬地层射孔弹HS46-1射孔效果，见图3。

图3 硬地层自清洁射孔弹和硬地层射孔弹射孔后的孔道

硬地层射孔弹HS46-1型与常规超深穿透射孔弹SDP45-1型在不同抗压强度的混凝土靶上的实际穿孔深度进行了实测实验，实测数据见图4。

图4 硬地层射孔弹与超深穿透射孔弹在不同抗压强度的混凝土靶上穿孔深度的变化

通过上述实验数据初步分析，发现：

常规射孔弹设计时针对的目标靶抗压强度为34.5MPa混凝土靶，在硬地层中难以充分发挥其效能。

自清洁射孔弹射孔后，砂岩内孔道粗大，孔道壁疏松，无压力水冲洗时，孔道壁上砂岩碎屑可以随水流流动，孔道末端粗大，有明显二次反应痕迹，砂岩呈高压压裂后的表现见图3。

常规射孔弹、超深穿透射孔弹射孔后，砂岩内孔道较细，孔道壁较硬，压实带明显，孔道末端有杵体堆积现象。

3 应用效果

硬地层和硬地层自清洁射孔弹应用在较深层的油气井开发中。

3.1 在T 油田应用的效果

新疆T油田北区块某井2018年8月19日对3722.0～3725.0m负压射孔后自喷，22日因油压降至零停喷。地质分析认为该层与下部3736～3742m油水同层窜通，封窜验收合格后，因油压降至0而停止产油。

使用硬地层射孔弹 H S 4 4 R D X 3 8-1 型补孔，第一次补孔孔密1 3 孔/m，射孔井段：3721.2～3723.6m，用弹32发；第二次补孔孔密16孔/m，射孔井段：3725.0～3727.0m，用弹32发。经过气举等措施，4mm油咀放喷，油压6.5MPa，日产油23m3，日产气1.5万m3，实现了较好的产能效果。

同样状况一口井应用深穿透射孔弹进行了二次补孔，产液量为零，压力为零。

3.2 在L 油田应用的效果

2021年在L油田某井低渗储层进行了TCP动态负压和硬地层自清洁组合射孔工艺技术，使用114射孔枪，孔密16孔/m，装配硬地层自清洁HSR46-1型射孔弹；油藏类型为边水，射孔斜深4371.0～4546.0m，射孔162m，夹层13.0m，使用射孔弹2494发。

P-T仪记录压力曲线显示，自清洁和动态负压作用明显，射孔层位静压6036psi，射孔弹爆轰最高压力11340psi，自清洁产生的微压裂及清洁孔道最高压力5693psi，动态负压最低点压力值3042psi，最大负压差2994psi，平均动态负压为2000psi（13.79MPa）。动态负压作用从射孔起爆后爆轰压力达到最高峰值时间（12s598ms）后13s（12s611ms）开始产生，符合动态负压做功的有效时间段（100ms以内），动态负压持续时长800ms。射孔弹爆轰最高点与自清洁射孔做功最高点时差30ms，见图5。

图5 P-T仪记录压力曲线

4 结束语

硬地层射孔弹相对传统超深穿透射孔弹射流具有更高的射流密度和射流硬度，射流梯度合理，更适合硬地层（深层）油气井射孔。

硬地层自清洁射孔弹能有效清洁孔道，去除射孔压实带，增大泄油面积，是硬地层（深层低孔低渗地层）射孔最佳选择。

在较软的油气储层射孔时，常规深穿透射孔弹比较实用。