复合射孔检测技术现状及其发展趋势

李东传,金成福,刘权民,余海鹰

(石油工业油气田射孔器材质量监督检验中心,黑龙江大庆163853)

复合射孔检测技术现状及其发展趋势

李东传,金成福,刘权民,余海鹰

(石油工业油气田射孔器材质量监督检验中心,黑龙江大庆163853)

介绍了复合射孔技术的原理及检测技术的现状。为了保证复合射孔器的安全性、可靠性和有效性,需检测它的耐温性能、耐压性能、穿孔性能、破坏性及做功能力。目前常用的检测技术有地面混凝土靶射孔试验、地面抗爆试验、井下动态测试、地面复合射孔单元测试和地面1 m复合射孔器测试技术。结合油田现场对复合射孔器性能的要求,提出了地面动态测试技术、耐温耐压检测技术、检测技术与优化设计相结合及检测技术标准化等复合射孔器检测技术的发展方向。

复合射孔;火药;检测技术;标准化;发展趋势

0 引 言

国内外均有聚能射器检测的标准[1-2],中国采用第三方监督检验的方式来控制产品质量,国外一般采用API产品认证的方式来检验产品质量。由于复合射孔技术起步相对较晚,到目前为止没有针对复合射孔器的行业标准或国家标准。各生产厂家、用户为了控制产品质量各自采用不同的质量标准,中国生产厂、用户研究了各种试验方法来评价产品质量,国外各生产厂家在加工工艺和单一产品上下功夫,并在施工前采用优化设计,施工过程中采用过程监控,施工后进行结果分析,以此保证施工作业的质量[3]。

近年来,随着复合射孔技术的推广应用,更加重视复合射孔器材的质量,中国的射孔器材质检机构、复合射孔器材生产厂家都在尝试对复合射孔器的各项产品性能进行检验,并取得了一定的成果。

1 复合射孔机理

复合射孔是利用火药和炸药两者具有数量级之差的反应速度实现的。雷管引爆导爆索,导爆索引爆聚能射孔弹,聚能射孔装药首先以微秒级的时间在井筒与地层之间形成射孔通道,同时也形成了射孔损害带[4]。聚能射孔弹爆轰的同时也点燃了火药,火药装药随后以毫秒级的时间产生燃气脉冲,以冲击加载的形式沿射孔通道挤压地层。一般认为当射孔孔道内的高能气体压力超过地层破裂压力1.2倍以上才能对地层产生有效作用,峰值压力越高,产生的裂缝越长,对地层的作用效果越好,但它不能超过套管的极限抗压强度,否则将损坏套管[5]。

机理研究的主要方向有,①裂缝产生机理研究。李文魁等人研究了高能气体压力与裂缝的关系,得出了模拟岩心靶在不同围压及加载速率下,高能气体压裂可产生2～5条径向裂缝[6];C W W ieland等人研究了推进剂生产的裂缝特点[7]。②井下压力描述。复合射孔器射孔数值研究及高能气体压裂过程,控制高能气体的作用效果和井筒内压力波动对套管、水泥环性能的影响。建立井筒条件下气体压力曲线与火药药量、结构、装配方式和对应关系与井下作用效果的关系。目前国外已给出了Stim gun[8]的优化设计软件,中国的生产厂、用户也正在研究适合自己产品的复合射孔优化设计软件。

2 检测技术现状

为保证复合射孔器的安全性、可靠性和有效性,需检测其耐温性能、耐压性能、穿孔性能、破坏性及作功能力。常用的检测技术主要分3个方面。

2.1 地面混凝土靶射孔试验[1]

按标准要求制作混凝土靶(Φ5 m×1.1 m或Φ6 m×1.1m),试验时将装配好的1 m复合射孔器放入套管内,居中放置,注满清水(模拟射孔液)后进行射孔试验。以评价其安全性能、损害情况和作用效果。

安全性能包括枪体是否有横向裂纹、枪头和枪尾是否脱落;损害情况包括射孔枪上孔眼处裂纹、射孔枪外径胀大、套管内毛刺高度;作用效果包括在套管上产生的穿孔率及在混凝土靶上产生的裂缝长度、裂缝宽度、裂缝数量。由于试验方法存在3个缺陷,①只是定性检验,而不能定量检验;②无法对比2种复合射孔器性能的优劣;③制作大直径混凝土靶浪费大量材料,且废靶处理困难等,目前已很少使用。

2.2 地面抗爆试验[9]

地面抗爆试验与地面混凝土靶射孔试验方法相似,只是试验目的不同,地面抗爆试验主要检测射孔枪变形量、穿孔参数、火药量选取及各接头的螺纹和密封面受冲击载荷后状态等参数。因此,试验时使用的混凝土靶直径较小,有些生产厂为了降低成本甚至选用双层套管来代替混凝土靶。

2.3 井下动态测试技术

射孔作业时将复合射孔器与测试仪器连接,主要记录聚能射孔过程和增效射孔气体压裂过程中的压力随时间变化曲线。测试仪器一般由传感器、数据采集系统、数据存储电路、电源、外部保护套筒等部分构成,是一套存储式数据采集记录系统,能够自动记录射孔作业过程中井下爆炸燃烧瞬间的各项参数,对射孔和增效射孔的施工设计、过程分析和效果评价起到非常重要的作用。国内外均使用高速压力记录仪[10-11]记录井下的压力波动,记录仪一般可记录复合射孔器产生的压力、温度和加速度等参数。

2.4 地面复合射孔单元测试技术

地面设备测试复合射孔器的压力峰值及压力随时间变化曲线。选取复合射孔器的1个射孔单元[9](1发射孔弹和1个内置火药盒)或4个复合射孔器单元[12]在其相匹配的模拟套管试验装置中,试验用靶可以是混凝土靶,也可以是砂岩靶或钢靶,测试枪内及环空动态压力变化过程,评价火药的性能或复合射孔器的能力。

2.5 地面1 m复合射孔器测试技术及其他辅助测试技术

将1 m复合射孔器放在混凝土靶的套管(封闭下端)中,在套管上部露出混凝土部分安装压力传感器,封闭套管上部,测试套管内动态压力变化过程。也可用双层套管代替混凝土靶,双层套管中间浇注混凝土并封固,套管侧面非射孔方向安装压力传感器,测试套管内动态压力变化过程[13],以评价复合射孔器的能力。

辅助测试技术指测试影响复合射孔器或组件温度、压力等性能的指标的测试技术。包括复合射孔枪耐温耐压测试技术[1]以及配套雷管、导爆索耐温(或外置式组件的耐温耐压)测试技术[14-15]等。

3 油田现场对复合射孔器性能的要求

油田常用的复合射孔器可分为内置式和外置式2大类。还可细分为分体式、一体式、外套式、二次增效、对称式、双复式等[15]。复合射孔器一般应用于井深1 000～5 000 m的薄差油层,井温一般在50～150℃、井压一般在20～200 M Pa的条件下。射孔时只有当产生的气体大于某一压力值时才能在孔道壁形成裂缝[4],从而改善孔道周围的导流能力。因此,油田现场要求复合射孔器应具有良好的耐温、耐压、安全性能和做功能力。

4 检测技术发展方向

4.1 耐温耐压检测技术

复合射孔器和外置式火药在井下直接接触射孔液,同时受到温度和压力的作用,目前还没有同时模拟温度、压力条件进行检测的技术,因此须研究复合射孔器或至少是火药模拟温度、压力条件进行检测的技术。

4.2 地面动态测试技术

利用动态测试技术可以掌握复合射孔器产生的压力的动态特征,判断其安全性和做功能力。井下动态测试时,由于高速压力记录仪所安装的位置与射孔孔眼的位置有一定的距离,其结果与实际压力有一定误差。室内动态测试时,传感器的位置与射孔孔眼位置十分接近,但由于模拟条件与井下条件尚有差别,无法确定室内测试结果与实际压力一致程度,也无法建立其与井下测试结果间的关系,限制了室内结果的应用范围。因此须研究确定室内动态测试结果、井下动态测试结果与井下射孔孔眼实际压力的关系,建立地面动态测试结果与井下动态测试结果的关系,以便更好地评价产品质量。

4.3 检测技术与优化设计相结合

复合射孔器检测的目的是了解产品质量和性能;优化设计的目的是在掌握产品性能的基础上通过更合理的设计、施工以获得更好的增产效果。应用地面测试结果、复合射孔器参数、油层参数预测复合射孔器在井下的作用效果,以指导设计、施工,通过井下动态检测技术监测优化设计的效果[16]。

4.4 检测技术标准化

复合射孔器材生产厂家众多,不同生产厂的检测技术各有侧重且试验条件、技术水平差别很大,因此各生产厂给出的检测没有可比性,这不利于用户选择,也不利于各厂家之间的交流。为进行一步促进复合射孔技术的发展,规范市场,应使检测技术标准化。

5 结束语

复合射孔检测过程中应加强数据记录工作,并将得到的大量不同岩石特性、不同井况、不同火药参数的 p-t曲线进行作业过程分析和效果评价,以便建立地面动态测试结果与井下动态测试结果的关系,开展检测技术与优化设计相结合工作,将复合射孔检测技术更好地开展起来。

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[3] 王艳萍,黄寅生,潘永新,等.复合射孔技术的现状与趋势[J].爆破器材,2002,31(3):30-33.

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[5] 赵开良,吴永清,魏永刚.复合射孔器效能监测、对比分析及优化[J].测井技术,2007,31(1):66-71.

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[14]GB/T 6273-2008油气井用电雷管检测方法[S].北京:石油工业出版社,2008.

[15]SY/T 6411.2-2008油气井用导爆索通用技术条件及检验方法第2部分:检测方法[S].北京:石油工业出版社,2008.

[16]刘河秀,张伟民.增效射孔工艺技术现状及发展[J].测井技术,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 文献标识码:A

李东传,男,1969年生,高级工程师,工程硕士,现从事射孔器材检验工作。

2010-12-13 本文编辑 王小宁)