新型水平井复合射孔枪研究

郭希明,蒋宏伟,黄玉康,郭庆丰,蒋记伟

(1.大庆油田有限责任公司试油试采分公司,黑龙江大庆163412;2.中国石油集团钻井工程技术研究院,北京100195; 3.中国石油技术开发公司,北京100028;4.中国石油大学石油工程学院,北京102249) *

新型水平井复合射孔枪研究

郭希明1,蒋宏伟2,黄玉康3,郭庆丰2,蒋记伟4

(1.大庆油田有限责任公司试油试采分公司,黑龙江大庆163412;2.中国石油集团钻井工程技术研究院,北京100195; 3.中国石油技术开发公司,北京100028;4.中国石油大学石油工程学院,北京102249)*

大庆油田水平井通常采用的是«139.7 mm套管,由于水平段起伏波动造成变形,使得套管内有效内径变小,需要研制一种在102型与89型之间的、适合在«139.7 mm套管水平井内使用的新型水平井射孔枪。通过枪身材质优选、弹架结构设计、枪身连接结构设计和新型射孔弹开发,研制了新型95水平井射孔枪和新型深穿透射孔弹,平均穿深达到645 mm,比89型水平井射孔枪穿深提高29%,并且能够实现在水平井射孔段内任意方向定向射孔;研制了新型95型水平井复合射孔枪,检测了该枪的安全性能指标,优化出了最佳火药装药量。在大庆油田现场试验证明,新型95型水平井复合射孔枪完全满足水平井复合射孔的需要。

水平井;射孔;射孔弹;复合射孔枪;装药量

目前,大庆油田水平井均采用的是«139.7 mm 套管,由于水平段起伏波动造成变形,使得套管内有效内径变小,当使用102型水平井射孔枪射孔后,由于枪体变形和毛刺等原因,射孔后起枪遇卡风险较大;使用89型水平井射孔枪射孔,由于射孔枪内空间所限,造成所配套的射孔弹穿深不理想[1]。因此需要研制一种在102型与89型之间的、适合在«139.7 mm(英寸)套管水平井内使用的新型水平井射孔枪。通过借鉴国外经验及国内器材情况,选定新型水平井射孔枪外径与95型射孔枪外径相同。

1 射孔枪材质优选

根据水平井井筒结构特点及目前89型水平井射孔枪的使用效果,通过对材质、外径、内部弹架结构的综合设计,确定了射孔枪材质的基本参数,如表1。

表1 射孔枪材质基本参数

根据射孔枪材质基本参数,确定新型射孔枪的基本参数,如表2。

表2 射孔枪的基本参数

根据Q/BQB232—2003《油气井射孔枪用无缝钢管》标准,壁厚差允许为壁厚的±10%,由于在枪管生产的过程中存在一定的壁厚差,为了保证最小壁厚不小于7.5 mm,选择枪管壁厚为9 mm。根据壁厚参数最终确定弹架直径为«54 mm。

2 配套射孔弹的研制

由于受到射孔枪枪身直径的限制,射孔弹外形尺寸设计受到制约,同时考虑射孔弹在射孔枪内炸高及射孔弹间是否存在干扰等问题[2],在射孔弹参数设计过程中需要进行聚能装药壳体形状、粉末药型罩结构、粉末药型罩配方选择3方面研究,提高射孔枪穿深性能。

2.1 药型罩结构设计

药型罩是射孔弹的核心部分,也是影响射孔弹穿深性能的重要因素,其中药型罩的几何形状又是影响药型罩性能的主要因素之一。

常规深穿透型射孔弹型罩结构是等壁厚,为了提高穿深设计了变壁厚药型罩,它的结构是顶部薄,底部厚,有利于增大射流的速度梯度,可以提高穿靶深度。通过对药型罩压制工装的改进,在工艺控制上可以实现对变壁厚药型罩工艺稳定性的控制。

试验研究证明,同样外锥角的变壁厚药型罩比等壁厚罩的穿深性能提高10%左右。

2.2 装药壳体形状设计

聚能装药的破甲深度与装药形状,特别是与装药直径、长度及药量分布有关,随着装药直径和装药长度的增加,破甲深度也随着增加。受枪身直径的限制,射孔弹个体不能过大,所以装药直径和长度要受到限制,这就要求药柱爆轰过程中的能量尽可能被充分利用来压垮药型罩,并尽可能降低对套管的损坏。因此,装药结构设计的出发点是充分提高炸药能量的有效利用率,使炸药能量尽可能转化到推动药型罩的做功上,从而达到提高穿深的目的。

增大药型罩顶部的装药量,即增加药型罩顶部的爆轰能量,使射流头部速度增大,从而提高侵彻深度。改变壳体直线边长度,以调整下锥底部的装药量,使炸药能量的分布更趋合理。不同的装药结构分别与等壁厚罩和变壁厚罩配合后对比的数据如表3。

表3 不同装药结构与等壁厚罩和变壁厚罩配合对比

通过数据对比、分析,确定首选方案:药型罩采用变2°变壁厚结构,装药结构采用«40 mm开口,直线边长度为Lf的双锥形结构。

2.3 射孔弹配方选择及地面试验

根据国外射孔弹药型罩配方的设计经验,由于射孔弹壳体直线边的加长,在P2++配方的基础上,按一定比例加入钽粉或钴粉,增加药型罩配方密度。

对SDP40RDX-1型射孔弹与DP41RDX-1型射孔弹分别进行了地面穿钢靶试验,分析地面打靶数据得到新型射孔弹穿透深度较原有的89弹提高23 mm。

3 弹架结构设计

3.1 锁紧结构

水平井射孔具有2个特点。

1) 水平井射孔一次下井的枪串较长,射孔枪的柱数多。为了防止由于墩枪产生的弹架变形,水平井射孔枪对弹架在枪内固定的可靠性就有了更加高的要求。

2) 对于长井段射孔,单元射孔枪之间的传爆可靠性要求非常高。

由此可以看出,水平井射孔对弹架的要求非常高。目前,弹架在射孔枪内的固定结构为斜顶丝结构,由于枪体和弹架的制造误差,弹架在枪体内最大可以有4～5 mm的窜动,使得顿钻、墩枪产生弹架变形的可能性大增,射孔弹移位、从弹架脱落、导爆锁磨损等引起炸枪事故的危险性增大。为了消除这些不安全因素,对弹架在射孔枪上的定位和固定结构进行了全新的改进,采用弹架挂式锁紧结构,如图1所示。

图1 弹架挂式锁紧结构

该弹架结构适用于除内定向之外的所有结构,在射孔枪上端加工定位槽,两端加工1 mm台面;头部的托盘制作弹簧定位销且外径比射孔枪内径大2 mm。装配时,将弹架按方向沿射孔枪上部装入,弹架上的弹簧定位销弹入射孔枪上部的定位槽内,实现盲孔定位。此时弹架挂在射孔枪上,将弹架尾部托盘上紧,拉紧弹架。

3.2 定向结构

常见的内定向射孔枪内定向结构为配重块结构,即在弹架内部或外部装配偏重的配重块,以达到弹架定位的目的。95型内定向水平井射孔枪采用了弹架偏心与内配重(或外配重)相结合的结构;所谓弹架偏心就是弹架的纵向轴线与支撑弹架的轴承组轴线产生一个偏心量,弹架的偏心量得到保证是定向可靠稳定的基本前提。

为了保证偏心结构的实现,专门设计了95型内定向射孔枪偏心弹架专用轴承,如图2所示。

图2 偏心轴承结构

通过定向结构设计,实现了在水平段内任意方向的定向射孔,同时弹架配重块采用密度较高的钨块,加大弹架中心向下的重力,保证了定向效果。

4 水平井复合射孔枪室内试验

复合射孔工艺技术是一项集射孔与高能气体压裂于一体的高效完井技术,有较好的增产效果,主要通过水平井复合射孔枪实现。水平井复合射孔枪的研制基于水平井射孔枪技术思路、材料选择和技术方案,与水平井射孔枪的不同之处是:为避免水平井复合射孔后,因脱落泄压钢垫在起下射孔管柱时形成堆积,造成水平段射孔管柱遇卡事故,水平井复合射孔枪采用射孔孔眼泄压方式。

4.1 试验目的及方案

对95-13DP40型水平井复合射孔枪单发单元进行地面动态测试,利用 p-t曲线及枪身胀形量综合分析评估最佳火药装药量与预期效果,初步优化出最佳火药装药量。

采用复合射孔单发射孔单元实验室动态测试装置,模拟套管内径«139.7 mm,射孔枪为95-13DP40型模拟枪体;试验装置主要由单发射孔单元枪体和模拟套管实验装置总成构成。为确保试验条件的一致性,装置采用完全密封、闭气结构,如图3所示。

图3 试验装置结构

测试单发射孔单元的4种不同装药量下环空p-t曲线、枪身最大胀形量的试验方案及火药参数如表4～5。

表4 单发射孔单元试验方案

表5 单发射孔单元火药参数

4.2 测试结果

共进行4次试验,测试结果如表6,95-13DP30型射孔单元环空p-t试验曲线如图4～7所示。

表6 单发射孔单元室内试验测试结果

图4 装火药量20 g时 p-t曲线

图5 装火药量30 g时 p-t曲线

图6 装火药量40 g时 p-t曲线

图7 装火药量50 g时 p-t曲线

4.3 结果分析

1) 采用射孔孔眼泄压方式,随着火药量的增加,环空峰值压力和枪身胀形量有明显的增大,而压力衰减至30 MPa时的压力作用时间变化不大;但随着药量的增大,有效压力作用时间有缩短的趋势。其主要原因是:当枪身泄压孔泄流面积较小且不变时,装药量越大,枪内火药的燃烧速度就越快,峰值压力也会越高,由于枪内外压差增大,引起环空压力的陡升(即随着药量的增加,压力上升时间变短),有效压力作用时间相对也会缩短[3]。

2) 由图4～5可知,峰值压力分别为45 MPa和57 MPa,压力平台较为平缓,有效压力作用时间相对较长,适合于地层破裂压力较低的油井。枪身最大胀形量分别为3.75 mm和4.2 mm,能够确保油井的安全施工作业。

3) 由图6～7可知,峰值压力分别为64 MPa和75 MPa,压力陡升且衰减较快,适合于致密地层且破裂压力高的油井。枪身最大胀形量为 4.65 mm和4.90 mm,能够确保油井的安全施工作业。

4.4 射孔枪检测

1) 装配DP40RDX-1射孔弹的95型水平井射孔枪在大庆射孔弹检中心进行地面混凝土靶检测,检测结果如表7。

表7 95型水平井射孔枪检测结果

95型射孔枪装配DP40RDX-1型射孔弹进行打靶检测,枪身最大胀形量是3.9 mm,平均穿深达到645 mm,与89枪装DP41RDX-1型射孔弹穿深500 mm相比提高29%,且满足 GB/T 20489-2006标准规定的射孔枪枪身外径胀大<5 mm的要求[4]。

2) 装配SDP40RDX-1、单发装药量40 g的95型水平井复合射孔枪在大庆射孔弹检中心进行地面混凝土靶检测,检测结果如表8。

表8 95型水平井复合射孔枪检测结果

95型复合射孔枪装配DP40RDX-1射孔弹在40 g/发×16=640 g/m的药量下进行试验,枪身最大胀形量是3.6 mm,完全满足 GB/T 20489-2006标准规定的射孔枪枪身外径胀大<5 mm的要求。

5 现场试验

为了验证和检查水平井复合射孔枪射孔的安全性和效果,保证水平井复合射孔的工程质量和安全,在大庆油田的芳100-斜128、芳110-斜130、芳68-斜124井3口大斜度定向井中进行射孔试验,现场试验的基础数据如表9。

表9 现场试验基础数据

射孔方式采用油管输送射孔,环空加压延时起爆,顺利地完成了3口井射孔作业。本次施工的3口井,共用射孔枪23根,其中外径变形最大的一根的变形量为3.2 mm,毛刺最高的一处为2.5 mm,均满足标准要求。表10为3口井的现场试验数据,可以看出,射孔滚珠枪尾、接头丝扣完好,全部射孔枪没有出现变形。经过现场验收,射孔质量各项指标全部合格。

现场试验说明,新型95型水平井复合射孔枪在装药量每发40 g的情况下能够保证射孔枪的安全,满足水平井复合射孔的需要。

表10 大斜度定向井复合射孔数据

6 结论

1) 通过枪身材质优选、枪身及弹架结构设计、枪身连接结构设计和新型射孔弹开发,研制了95型水平井射孔枪和新型深穿透射孔弹,通过API地面打靶检测,平均穿深达到645 mm以上,比89型水平井射孔枪穿深提升29%,并且能够实现在水平井射段内任意方向定向射孔。

2) 通过地面打靶试验,验证了新型95型水平井复合射孔枪的安全性能指标,优化出最佳火药装药量。大庆油田现场试验证明新型95型水平井复合射孔枪能够满足水平井复合射孔的需要。

[1] 付建华.磨溪气田水平井射孔枪卡钻解卡工艺技术[J].油气井测试,2008,17(2):49-53.

[2] 曹丽娜,韩秀清,张永光,等.石油射孔枪弹间爆轰波干扰的仿真分析[J].石油机械,2010,38(6):1-3.

[3] 闫永宏,李百政.新型水平井射孔枪的研制与应用[J].石油机械,2004,32(增):62-66.

[4] 闫永宏,范文渭,周 波,等.水平井射孔枪的应用[J].石油矿场机械,2003,32(6):85-87.

Study of New-type Composite Perforating Gun in Horizontal Well

GUO Xi-ming1,J IAN G Hong-wei2,HUANG Yu-kang3,GUO Qing-feng2,J IANGJi-wei4
(1.Production and Well Test Company,PetroChina Daqing Oilf ield Limited Company,Daqing163412,China; 2.CN PC Drilling Research Institute,Beijing100195,China; 3.China Petroleum Technology&Development Corporation,Beijing100028,China; 4.College ofPetroleum Engineering,China University ofPetroleum(Beijing)102249,China)

At present,casing are used in horizontal wells of Daqing oilfield.The effective internal diameter has become small because the casing becomes deformed owing to horizontal section fluctuation.It is very essential to develop a new-type perforating gun in horizontal well for″casing.The new-type perforating gun and perforating charge are developed by strict gun body material optimize,physical design of gun carrier,linkage structure design of gun carrier and development of new-type perforating charge.The average perforating depth of new-type perforating gun measures up to above 645 m.It is increased 29%than the perforating depth of 89 type perforating gun.The new-type perforating gun can finish multi-direction oriented perforating at perforated interval of horizontal well.The new-type composite perforating gun is developed and its safety property index is examined.The explosive load is optimized.The successful field experiment of Daqing oilfield confirms that new-type composite perforating gun can meet the requirement of composite perforation of horizontal well.

horizontal well;perforation;perforating charge;composite perforating gun;explosive load

1001-3482(2011)05-0005-06

TE934.2

A

2010-11-05

郭希明(1977-),男,河北东光人,2001年毕业于江汉石油学院石油工程专业,现从事射孔完井工作。