油气井射孔技术的现状与发展

路利军，孙志忠，贺红民，扈 勇，许 琦，刘继红

（中国石油集团测井有限公司长庆事业部，西安710077）

油气井射孔技术的现状与发展

路利军，孙志忠，贺红民，扈 勇，许 琦，刘继红

（中国石油集团测井有限公司长庆事业部，西安710077）

射孔技术作为完井工程的重要组成部分和试油技术的主要环节，是利用高能炸药爆炸形成的射流射穿油气井管壁、水泥环和部分地层，建立油气层和井筒之间油气流通道的一种技术。随着油气勘探开发的不断深入，复杂的储层类型以及多样的油气井完井工程对射孔技术提出了更高的要求。为满足不同的需求，近些年来射孔技术也得到了快速发展。主要介绍了油气井射孔工艺技术的现状以及将来可能的发展方向。

起爆技术；自清洁射孔；定面射孔技术；油气井；射孔弹

1 引言

油气井爆破是为了穿透套管及水泥环、构成目的层至套管的油气通道。最初，其目的比较单纯，技术手段也比较单一，主要有子弹式射孔器、鱼雷式射孔器等，由于子弹式射孔器的穿深极为有限，经常无法形成有效的射孔孔道，影响后续的正常生产。自从将反装甲武器的聚能效应﹝1﹞应用于油气井射孔后，极大的提高了射孔穿深，引领了油气井爆破行业的快速发展，也成为了油气井爆破行业的主流技术。经过多年来的努力，通过引进、吸收和研发，国内的射孔弹、射孔工艺以及施工设计优化也得到了飞速发展。油气井射孔目的由最初的射穿油气层，打开油气流通道，转变为改造油气层，辅助提高油气单井产能。特别是近些年提出了射孔技术与压裂技术结合，科学合理的完成油气储层整体开发。

2 射孔技术现状

2.1 起爆技术

电缆射孔作业中，为了防止射孔施工周围环境可能存在的射频、杂散电流或静电对电雷管的影响，油气井使用的电雷管经过持续改进，发展到现在普遍使用的有需要非常高的特定频率电流方可起爆的磁电雷管和1 A以上电流起爆的大电流雷管，极大的提高了电雷管使用的安全性能。特别是近几年国内引进、研发出了无起爆药的EFI雷管和EBW雷管﹝2﹞，其是通过爆炸铂或爆炸桥丝引爆猛炸药完成起爆，消除了热桥丝电雷管对射频、杂散电流或静电敏感的缺陷。另外，DYNA公司将集成电路模块应用在电雷管内，研发出了需要特定脉冲序列起爆的RF-Safe雷管，使用更加安全可靠﹝3﹞。

油管输送射孔起爆方式有多种，选择不合理可能导致起爆失败或射孔作业返工。从起爆的机理划分，主要有机械撞击起爆和压力起爆两种。根据不同的工程需求及实际井况，又可细分为用于油管输送射孔-测试联作起爆的环空压力起爆，井筒负压射孔的机械撞击式起爆，多层同时射孔的多级投棒起爆、多级增压起爆或压力延时起爆，一次性管柱完井的全通径射孔等等。国外已研发出了通过时间倒计时激发或采用一系列压力脉冲激发的智能起爆仪，适用于连续油管或油管输送的分簇射孔作业。

2.2 穿透技术

射孔弹被喻为打开油气宝藏的“金钥匙”，主要由药型罩、壳体、炸药三部分组成。它的穿孔深度直接影响着油气井的产能。射孔弹穿孔越深，沟通的地层裂缝就越多，从地层流进孔道的油气也越多，油气开发的产量就越高。90年代初，国内引进了先进的射孔弹生产线，开展了技术革新。射孔弹穿深逐渐加深，先后突破了400 mm，700 mm，1 000 mm。2008年以后，国内各家射孔弹厂通过创新设计药型罩结构及装药结构，提高了射孔弹穿孔性能。采用混合粉末制备工艺，改善了药型罩密度分布均匀性。应用粉末药型罩高温热处理工艺，改善了金属射流的连续性，提高了射孔弹的穿孔深度。表1给出了美国API协会公布的几个代表性厂家相同型号射孔器混凝土靶测试数据﹝4﹞。标志着我国射孔弹穿深达到了国际领先。

表1 国内外部分厂家射孔器穿深指标Table 1 Perforating depth index of some manufacturers at home and abroad

另外，射孔作业中，选用射孔器的外径由井眼内径决定，在满足施工安全的条件下，通常选用的射孔器与井眼之间的间隔最小，更有利于射孔器发挥其最佳的穿透效果。但是在水平井射孔作业时，射孔器的外径比直井内的外径小一些，同时射孔器在井眼中处于偏心状态。使用常规的射孔弹射孔后距离射孔器近的下部套管穿孔效果正常，但距离射孔器远的套管孔眼明显变小，同时穿深大幅度降低，如图1（b）所示。国外生产厂家已研发出了不受井眼位置限制的孔眼一致性射孔弹，射孔器在井眼处于偏心位置射孔后在套管上形成的孔眼大小基本一致，更有利于后期压裂，如图1（a）所示。通过上井试验证明，使用压裂射孔弹可以降低井口破裂压力，提高油气井产能，延长单井采油周期。

图1 射孔弹穿孔效果Fig.1 Perforation effect of perforator

2.3 自清洁射孔技术

聚能射孔过程中，金属射流作用在岩石上，射孔孔道周围将形成岩石压实带，孔道前端形成杵堵，降低了原始地层的渗透率，阻碍了地层流体流向井筒﹝5﹞。自清洁射孔是将聚能射孔与高能气体压裂或放热反应相结合，射孔的同时产生高能气体或强烈的放热反应作用于孔道，大量气体和热量改善压实带渗流特性，并将孔道内脱落的岩石碎屑和金属粉末从孔道内清除，最终实现清洁孔道、提高导流能力的目标。同时射孔孔道以裂缝形式向前延伸扩展，形成多条多方位裂缝，从而达到改善产层与井眼之间的连通性，增加渗流面积，提高油气井产能。自清洁射孔效果如图2所示。

目前的自清洁射孔﹝6﹞主要是包括复合射孔技术和孔道内二次释能的后效射孔技术。

复合射孔技术是利用了炸药爆炸与复合推进剂燃烧两种能量结合作用的原理设计而成。当射孔器点火后，导爆索爆轰起爆射孔弹，射孔弹以微秒级速度先完成射孔，聚能射流射穿套管及水泥环，并在地层中形成一定长度的孔道，同时被点燃的增效药以毫秒级的速度形成一定高温高压气体，以冲击加载的形式沿射孔孔道挤压冲击地层，对射孔压实带进行改造。目前使用的复合射孔工艺根据复合药安装的位置及作用效果，分为内置式弹间安装复合射孔器、射孔器下端连接复合药的下挂式复合射孔器、复合药套装在射孔枪外的袖套式复合射孔器，以及为了增加复合药的能量在弹架上同时安装复合药的多级脉冲复合射孔器等等。形式多样，各有优缺点。

图2 自清洁射孔效果Fig.2 The effect of self-cleaning perforating

后效射孔技术是近些年国内研制出的将聚能射孔与非爆类特效药粉相结合工艺技术，特效药粉是由一些易燃金属氧化物所构成。起爆后借助射孔金属射流将这些特效药粉带入射孔孔道，在射孔孔道内产生强烈的放热反应，瞬间释放出具有一定质量的动能波及应力波，以微秒时间持续作用于孔道内壁，改变孔道的几何形态，瓦解影响孔眼渗流的压实层，作用效果类似与复合射孔。不同之处在于复合射孔是在井筒内发生作用，载药量大但能量损失严重，而特效药粉是在射孔孔道内发生作用，装药量小但能量利用率较高。目前国内将这种特效药安装在射孔弹的前端或与金属药型罩压制在一起，以便射孔过程中金属射流将特效药粉带入射孔孔道。

2.4 特殊射孔工艺

油管输送射孔由于其输送能力强；适用于高压油气井，施工安全；可实现负压射孔保护油气层等技术特点，根据施工需求，与其他射孔工艺相结合形成了形式多样的油管输送射孔工艺。例如：为一次性完成大跨度，射孔段较长的油管输送多级射孔工艺技术；为避免压井作业对地层带来的伤害，缩短试油周期，形成了射孔-酸化联作、射孔-压裂联作、射孔-测试联作、射孔-下泵联作以及全通径射孔工艺﹝7﹞。

定向射孔是利用相应的定向仪器或工具实现对射孔方向的控制，以达到优化射孔方案的目的，主要包括直井定方位﹝8﹞和水平井自定向技术。水平井自定向是依靠偏心配重的作用实现射孔自定向。直井定方位射孔是依靠方位测量仪测量射孔器或定位键的方位，然后通过地面旋转管柱或调整射孔弹与定位键之间的夹角实现定方位，主要分为油管输送和电缆输送两种，如图3所示。由于后者操作简单方便，所以使用更为广泛。

图3 油管输送定方位射孔Fig.3 Tubing conveying perforation location

另外，常规射孔器多采用为60°相位或90°相位螺旋布孔格式，每发射孔弹的射孔方向与井眼相互垂直，压裂时裂缝沿最大主应力方向扩展。而定面射孔采用特制超大孔径射孔弹及特殊布弹方式，每3发弹成一簇，每簇射孔后形成一个扇面并与套管横截面相互垂直，如图4所示。由于同一横截面上出现多个孔眼，在井筒径向方向就形成了应力集中。与常规射孔相比，有助于压裂破碎岩层，从而降低井口破裂压力﹝9﹞。同时压裂裂缝沿应力集中面向井筒径向扩展，控制裂缝走向，水平井分段压裂射孔作业时避免段与段之间压裂裂缝交叉串通，直井底水油气层射孔作业时，可有效控制底水，提高单井产能。

图4 定面射孔示意图Fig.4 Schematic diagram of fixed surface perforation

水力泵送桥塞-射孔联作是国内近些年来针对水平井页岩气层或致密油气层开发的一种射孔新工艺。是在井口带压的环境，利用电缆连接多根射孔器和桥塞工具，依靠水力泵送，一次下井完成桥塞封堵及分段射孔作业。枪串结构如图5所示。其与“体积压裂”技术配合，能够在最短的时间内完成水平井分段封堵、分段压裂。保证高效、经济、完美的打开各段油气储层。主要包含以下技术要点：分级点火技术、水力泵送技术、速钻桥塞技术以及大通径井口电缆防喷技术等。北美地区85%的致密油气和页岩气开发均采用此项技术。

图5 水力泵送桥塞-射孔联作工具串示意图Fig.5 Schematic diagram of multi-level perforating combined line bridge plug of the unconventional horizontal wells

2.5 射孔方案优化

射孔作业参数主要包括孔密、孔深、孔径、相位、污染深度、污染程度等，选用不同的参数对油气井的产能将有不同的影响，因此为了能够获得理想的射孔效果，需要对射孔方案进行优化选择。当前国外一些从事射孔服务行业的企业已经开发了针对不同油藏地质条件和井眼状况的射孔方案优化软件，方便选用合理的施工方案，预测施工效果。大庆试油试采分公司、四川测井公司、中国石油集团测井有限公司等均开发了不同区域地层的优化设计软件，可结合射孔工艺、地层条件及开发目的等进行区域或单井射孔方案设计，提供优化的射孔器选择及产能预测。但由于地质环境的复杂性及参数的多变性，方案优化的准确性和适用性还需不断验证和完善。

3 射孔技术发展方向

3.1 耐高温、耐高压爆破器材及工艺的研究与应用

当前，我国陆续在四川、塔里木等地发现的一批深层、超深层油气资源，气藏埋深普遍在5 500～8 500 m。对于深层、超深层油气层，由于井下温度高、压力高、射孔作业管柱工况复杂，常规射孔器材不能满足深井安全、高效作业要求。因此需要开展深层、超深层油气藏用射孔器技术研究，开发出更高耐压、更高耐温，6 000 m以上深井射孔需求的耐高温、耐高压深井穿透射孔器材，破解深井、超深井射孔器材国产化难题，降低勘探开发费用，促进深部油气藏高效开发；因此，超深油气井中耐高温、耐高压爆破器材的研究将成为国内油气井爆破器材行业未来的攻关目标。

3.2 非常规爆破技术

以页岩油气、致密油气藏为未来主要开采方向的非常规油气藏的配套爆破技术需要进一步研究、完善和提高，目前国内外开展的以“水平井＋体积压裂”为主流的射孔工艺技术的开发，需要更加深入的研究配套其智能化分级起爆器材、全可溶桥塞等关键技术，以便为非常规油气藏体积压裂开发提供可靠的技术支撑并降低水平井全井开发成本。在国外，此类产品已经开始推广应用。典型的产品有PROBE公司生产的智能起爆器；DYNA公司设计生产的RF雷管等；GUARDIAN公司生产的电子选发模块等，其器材无论在结构尺寸上还是使用智能性上都远远优于国内产品。而在国内由于受到电子元器件功能的限制，类似产品尚未在石油射孔领域大量应用。因此智能化起爆、传爆技术是国内器材发展的趋势之一，也是紧跟国内外市场的需求。

3.3 老井改造配套技术的研发

随着石油天然气工业的发展，我国的油气田开发已经从陆地开采延伸到对内海、滩海和浅海的开采，甚至向深海进行开发。一方面，国内从发现大庆油田至今，已建成十座较大规模的油田；由于长时间采油、注水、压裂等井下工艺的施工，再加上地层移动、常年腐蚀等诸多因素的影响，使井下的套管发生变形、缩颈、错断或腐蚀形成漏洞，造成大量油井停产，不能正常生产。另一方面，目前海上每年以数百口井的速度递增，而多年来遗留在海上不再产油的废弃井口及海洋钻井平台的桩腿、导管架形成了海上通航的障碍物，严重危害和影响了航运、船舶作业、捕捞作业中的人员生命财产和安全，更影响潜水艇水下活动的安全。因此，针对此类套损井、报废井的配套爆炸整形、爆炸焊接加固及高能气体动力补贴加固技术和针对水下不同规格管材的爆炸聚能切割技术等工程技术的研究、配套和规模应用，必将为油气井的增产及延长寿命提供强有力的技术支持，同时，对我国的海洋石油开发，沉船打捞、航道疏浚、军事国防等均能发挥重要作用。

3.4 模拟性能检测与评价技术研究

科学、合理地选择爆破器材，是降低施工成本、有效提升施工效率的关键，也是科学指导油气井爆破射孔器材产品开发的基础，这是目前国内油气井爆破行业的不足，今后需加强开展和研究。

穿深超1.8 m的射孔弹、孔眼一致性射孔弹等新型射孔器材及前沿技术与国外技术还存在一定的差距，持续跟踪同行业技术发展，继续优化射孔弹的穿透性能，加快研究和发展步伐，保持与世界先进技术一致，是我们始终的目标和追求。

4 结语

随着国内外油气藏开发类型的不断丰富，油气田开发难度不断增大，特别是近些年受国际油价影响以及油藏开采观念的转变，将对射孔技术也提出更高的要求。射孔技术在保护储层、提高产能和作业效率，提高油田最终采收率等方面将发挥越来越重要的作用，同时需要一个服务射孔、方便交流的技术平台来推进油气井射孔的发展。

（

）：

﹝1﹞李文魁.聚能效应原理及其在油气井深穿透射孔中的应用［J］.西部探矿工程，1996（6）：11-14. LI Wen-kui.The principle and the cumulative effect in oil and gas well application in deep penetration perforation［J］.West-China Exploration Engineering，1996（6）：11-14.

﹝2﹞丁文.静电放电对EBW雷管的影响［J］.火工情报，1994（2）：11-18. DING Wen.Effect of electrostatic discharge on EBW cap［J］.Explosive Information，1994（2）：11-18.

﹝3﹞贺红民，路利军，慕光华，等.防射频可编址分级点火技术［J］.测井技术，2014，38（3）：375-377. HE Hong-min，LU Li-jun，MU Guang-hua，et al.Anti radio frequency addressable grading ignition technology［J］.Well Logging Technology，2014，38（3）：375-377.

﹝4﹞刘合，王峰，王毓才，等.现代油气井射孔技术发展现状与展望［J］.石油勘探与开发，2014，41（6）：731-737. LIU He，WANG Feng，WANG Yu-cai，et al.Development status and prospect of perforation technology in modern oil and gas well［J］.Petroleum Exploration and Development，2014，41（6）：731-737.

﹝5﹞李东传，唐国海，孙新波，等.射孔压实带研究［J］.试油勘探与开发，2000，27（5）112-114. LI Dong-chuan，TANG Guo-hai，SUN Xin-bo，et al.Research on perforation compaction zone［J］.Oil Exploration and Development，2000，27（5）：112-114.

﹝6﹞朱建新.新型自清洁射孔弹实验研究［J］.中北大学学报（自然科学版），2015（2）：144-149. ZHU Jian-xin.Experimental study on a new type of self cleaning perforation bullet［J］.Journal of North Central University（Natural Science Edition），2015（2）：144-149.

﹝7﹞陆大卫.油气井射孔技术［M］.北京：石油工业出版社，2012. LU Da-wei.Oil and gas well perforation technology［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，2012.

﹝8﹞梁拥华.定方位射孔技术研究及应用［J］.科技创新报，2012（17）：11-12. LIANG Yong-hua.Research and application of fixed azimuth perforation technology［J］.Science and Technology Innovation Report，2012（17）：11-12.

﹝9﹞刘合，兰中孝，王素玲，等.水平井定面射孔条件下水力裂缝起裂机理［J］.石油勘探与开发，2015，42（6）：794-800. LIU He，LAN Zhong-xiao，WANG Su-ling，et al.Fracture initiation mechanism of horizontal well under fixed surface perforation［J］.Petroleum Exploration and Development，2015，42（6）：794-800.

Present situation and development of perforation technology in oil and gas well

LU Li-jun，SUP Zhi-zhong，HE Hong-min，HU Yong，XU Qi，LIU Ji-hong
（Changqing Division，China PetroIeum Logging Co.，Ltd.，Xi，an 710077，China）

Perforation technology was an important part of well completion engineering and the main part of oil testing technology.The metal jet was formed after the explosion of high energy explosive.It penetrated oil and gas well pipe wall，cement ring and part formation，and oil flow passage was formed between oil gas reservoir and well bore.With the development of oil and gas exploration and development，more advanced perforation technology was required to apply to complex reservoir types and various oil and gas well completion engineering.In order to meet the different needs，perforation technology had been developed rapidly in recent years.The current situation and future development trend of perforation technology in oil and gas well was introduced mainly.

Initiation technique；Self cleaning perforation；Fixed surface perforation technique；Oil and gas well；Perforator

TD235

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.017

1006-7051（2016）05-0087-05

2016-06-07

路利军（1965-），工程师，从事油气井测井、射孔技术工艺研究。E-mail：172169910@qq.com