超高温射孔弹高温高压条件下穿深性能试验研究

2017-05-08李云杜明章雷新华付代轩吴焕龙

测井技术 2017年1期

李云,杜明章,雷新华,付代轩,吴焕龙

(四川石油射孔器材有限责任公司,四川隆昌 642150)

0 引言

随着国内外超深井、超高温井的勘探任务日益增长,超高温射孔弹的市场需求也呈逐年上升的趋势。目前中国射孔弹性能测试主要进行地面模拟测试,即将射孔弹与模拟枪管、模拟套管的钢垫块组装后,引爆射孔弹进行打靶,量取射孔弹的穿孔深度[1]。这种模拟性能测试的方式与射孔弹井下实际工况条件存在较大差异,主要表现在模拟枪管与套管之间没有任何流体介质,打靶条件为常温常压,而这些条件正是影响射孔弹穿深性能的关键因素。因此,射孔弹在井下的性能表现与地面测试性能往往存在巨大差异,并不能真实反映射孔弹在高温高压作业条件下的穿深水平[2]。因此,研究超高温射孔弹在井下高温高压条件下的穿靶特性和性能变化规律,对于设计和制造满足市场需求的超高温射孔弹,同时为高温高压井施工制定更具针对性的解决方案等方面都具有指导意义。

1 高温高压穿靶试验装置及试验方案

1.1 高温高压穿靶试验装置

试验采用的是由四川石油射孔器材有限责任公司自主建造的高温高压试验装置,该装置由高温高压釜体、气源系统、超高压水加压系统、循环加热系统、冷却系统、监视测试系统构成,能进行射孔弹在釜体内的高温高压穿靶试验。

该系统利用电加热器对导热油加热至试验温度,通过循环油泵和管线将导热油输送至釜体外层夹层,通过热传导对釜体和釜体介质(水)进行加热至试验温度;利用空气压力系统作为超高压系统驱动压力,通过超高压泵往釜体内注水加压至试验压力,最高能够达到210 ℃、200 MPa的试验条件。

利用射孔弹打靶组件,将射孔弹、模拟枪管、模拟套管、试验靶心等装配好后,下入釜体中加温加压,能够实现模拟地层温度和压力条件下的射孔弹穿靶试验(见图1)。

图1 射孔弹打靶组件示意图

1.2 试验方案

为研究超高温射孔弹在不同温度压力条件下的穿深特性变化规律,结合试验装置的技术条件,制定试验方案。

(1) 选用国际射孔弹穿深测试通用的四川砂岩靶为试验靶[3],选用89HNS型超高温射孔弹为试验弹型,模拟实际装枪条件进行穿深测试。

(2) 在常压条件,测试射孔弹在常温、140 ℃/1 h、180 ℃/1 h、180 ℃/72 h条件下的穿深,考察温度时间对射孔弹穿深性能的影响。

(3) 在常温条件下,测试射孔弹分别在常压、70、105、140 MPa条件下的穿深,考察压力对射孔弹穿深性能的影响。

(4) 在高温高压条件下,测试射孔弹在140 ℃/105 MPa/72 h、180 ℃/105 MPa/72 h、180 ℃/105 MPa/150 h条件下的穿深,考察温度压力对射孔弹穿深性能的影响。

(5) 结合以上实验,对比温度、压力对射孔弹的穿深影响,获得射孔弹穿深性能的变化规律。

1.3 试验用射孔弹及靶心的技术参数

(1) 射孔弹。试验选用89HNS型超高温射孔弹为试验弹型,并通过批量抽样后地面打靶测试,计算出射孔弹的稳定性指标[4],选用稳定性最好的产品批次,以尽可能减少射孔弹穿深稳定性给后续试验结果造成的影响。试验选用的射孔弹具体技术参数见表1。

表1 89HNS射孔弹技术参数

(2) 试验靶心。试验选用Φ102 mm×1 000 mm四川砂岩靶心作为试验目标靶,为了使靶心更加符合地层实际情况,采用水中加压(18 MPa)的方法使靶心最终达到水饱和状态[3]。试验选用的四川砂岩靶心技术参数见表2。

表2 四川砂岩靶心技术参数

2 结果与讨论

按照试验方案,测试了89HNS型超高温射孔弹在不同温度压力条件下的砂岩靶穿深数据。根据试验获得的穿深数据(见表3),绘制出了射孔弹在高温常压条件下、常温高压条件下以及高温高压条件下的穿深变化趋势图。

表3 不同温度压力试验条件下的射孔弹穿深

2.1 高温常压条件对射孔弹穿深性能的影响

由图2可见,在常压条件下,随着温度和时间的增加,射孔弹的穿深呈现下降的趋势,但是曲线非常缓和。这是因为随着温度和时间的不断增加,炸药的热分解效应也随之加速,炸药分解产生的气体在射孔弹内形成体积膨胀,引起爆压、爆速、装药密度的降低[5],从而导致了射孔弹的穿深降低。但是,当地层温度低于射孔弹的耐温指标时,炸药的热分解效应非常缓慢,因此对射孔弹穿深形成的影响较为有限,当地层温度高于射孔弹耐温指标时,炸药的热分解效应加剧,射孔弹穿深将会受到显著影响,严重时将会导致射孔弹拒爆。

图2 高温常压条件射孔弹的穿深变化

2.2 常温高压条件对射孔弹穿深性能的影响

由图3可见,在常温条件下,随着压力的增加,射孔弹的穿深呈明显下降趋势,且受影响的程度要远大于温度所造成的影响。这是因为随着压力的不断增加,靶心受压后孔隙度减小,靶强增大,导致穿深明显下降;另一方面,在静水压条件下,介质密度增大,射孔弹形成的高速射流头部冲击釜体内的水介质,形成高密度带,引起水的汽化和压力扰动,从而大大降低了射流的持续性,对射流的持续开孔能力造成了明显影响。

图3 常温高压条件射孔弹的穿深变化

2.3 高温高压条件下对射孔弹穿深性能的影响

由图4可见,在高温高压条件下射孔弹的穿深性能剧烈下降,在接近射孔弹的极限耐温指标的条件下(180 ℃/105 MPa/150 h),射孔弹的穿深数据降到最低,穿深性能与地面条件测试数据相比,下降幅度达到69.2%。这是因为在长时间的高温条件下,炸药热分解效应持续增强,炸药爆轰做功能力大幅减弱,同时靶心在长时间的高温压力作用下导致靶强增强[6],加上静水压条件下介质对射流产生的影响,使得射孔弹的穿深性能产生大幅下降。