射角对定射角射孔器穿深性能影响试验研究

李东传,张伟民,张建峰

(1.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;2.中国石油大庆油田有限责任公司试油试采分公司,黑龙江 大庆 163412;3.西安物华巨能爆破器材有限责任公司,陕西 西安 710061)

0 引 言

定射角射孔技术又称为平行储层射孔技术,是针对目前射孔方向均与射孔枪垂直,对于储层和井筒斜交的情况,尤其是对于断层附近薄层斜井施工时,极易发生射孔穿层,影响完井效果,而开发的一项射孔技术。还可与定方位射孔技术结合,实现射孔孔道方向与目的层主应力方向平行,有利于后续压裂等施工[1-2];背向或避开断层的射孔,避免水力压裂时与断层连通,导致压裂无效。

部分生产厂家、油田用户已开展了定射角射孔器材产品的研制及应用效果研究[3-5],希望通过该技术的使用获得更好的施工效果。张少程等[3]在地面进行了单发弹射孔试验,认为射角在0°～40°范围内,由于射角增大,枪内炸高和枪外间隙也随之增大,从而提高了聚能射孔弹的穿深,在一定程度上弥补了“着角”的影响。但单发弹在模拟试验时的装配结构与1 m定射角射孔器中的装配结构差别大。本文利用试验研究了现场常用的1 m定射角射孔器中射角对聚能射孔弹弹穿深性能的影响程度,并探讨了影响的原因。

1 定射角射孔器试验

1.1 试验设计

定射角射孔器的结构特点(见图1)为射孔器中奇数(或偶数)聚能射孔弹弹射流方向与常规射孔器中的一样(与射孔枪垂直),其相邻的聚能射孔弹的射流方向与原射流方向有夹角,通常称为定射角射孔器的射角。由于射角的影响,定射角射孔器具有与正常聚能射孔器的不同的穿孔特点,为了确定射角对定射角射孔器性能的影响,进行了15°、30°、40°和45°定射角射孔器地面穿孔性能对比试验。

图1 聚能射孔弹排布结构示意图

定射角射孔器选用现场常用的长1 m,外径89、102 mm定射角射孔器(13孔/m),试验用聚能射孔弹分别是装药量25 g的A型和39 g的B型聚能射孔弹,每种样品均选同一批生产的产品。

1.2 射孔试验

试验使用的混凝土靶是按照GB/T 20488—2006《油气井聚能射孔器材性能试验方法》[6]要求制作的,同一批制作,浇注成型后靶表面上覆不低于76 mm高的清水,在0 ℃以上至少养护了28 d,且保持这种状态直到试验。试验时,射孔器居中放置,环空注满清水,然后射孔、测量。

2 定射角射孔器试验结果分析

外径89 mm定射角射孔器,15°射角的聚能射孔弹的平均穿孔深度、穿孔孔径与直射的聚能射孔弹的指标基本相同(见表1)。15°、30°、40°和45°射角的聚能射孔弹的平均穿孔深度由832 mm下降到547 mm,标准差由64 mm上升到147 mm,平均穿孔深度波动幅度增大。4组试验中直射的聚能射孔弹的平均穿孔深度由825 mm下降到678 mm,标准差由48 mm上升到104 mm,平均穿孔深度波动幅度增大。平均穿孔孔径有所减少,但幅度不大。

外径102 mm定射角射孔器,15°射角的聚能射孔弹的平均穿孔深度、穿孔孔径与直射的聚能射孔弹的指标基本相同(见表2)。15°、30°、40°和45°射角的聚能射孔弹的平均穿孔深度由985 mm下降到519 mm,标准差91～244 mm,平均穿孔深度波动幅度增大。4组试验中直射的聚能射孔弹的平均穿孔深度有下降趋势,标准差为62～196 mm,平均穿孔深度波动幅度增大。平均穿孔孔径有所减少,但幅度不大。

3 研究与探讨

3.1 射角对定射角射孔器穿孔性能的影响

试验用的2组混凝土靶的抗压强度分别为53.6～54.6 MPa、 53.8～55.3 MPa(见表3),稳定性好,对试验结果的影响小。

表1 外径89 mm定射角射孔器试验结果统计

表2 外径102 mm定射角射孔器试验结果统计

外径89 mm定射角射孔器,射角由15°、30°、40°到45°的聚能射孔弹的平均穿孔深度与同枪中直射的聚能射孔弹的平均穿孔深度比最大下降了19.3%,平均孔径变化不大(<5%)。外径102 mm定射角射孔器,射角由15°、30°、40°到45°的聚能射孔弹的平均穿孔深度与同枪中直射的聚能射孔弹的平均穿孔深度比最大下降了35.6%,平均孔径变化不大,孔径比增加6.5%(见表4),穿孔深度、穿孔孔径的波动明显增大。射角影响定射角射孔器的平均穿孔深度,随着射角的增加影响程度增大,同时标准差也在增大,表明带射角聚能射孔弹性能下降不仅是射流以某角度撞击射孔枪壁、套管壁造成的,还可能是由于定射角射孔器内部结构形成的某种程度的弹间干扰造成的。

表3 外径89 mm定射角射孔器射角影响分析

表4 外径102 mm定射角射孔器射角影响分析

3.2 定射角射孔器中直射的聚能射孔弹穿深受到影响

外径89 mm定射角射孔器,15°射角的定射角射孔器中的带射角聚能射孔弹的平均穿孔深度与同枪中直射的聚能射孔弹的穿孔深度基本一致,标准差较小(48～62 mm),表明基本未受影响;45°射角的定射角射孔器中直射的聚能射孔弹的穿孔深度与15°射角的枪中直射的聚能射孔弹的穿孔深度比下降了17.8%,标准差上升到104 mm,标准差上升表明直射聚能射孔弹也受到了某种程度的影响。可见,定射角射孔器中带射角聚能射孔弹引起的某种程度的弹间干扰也影响到了同枪中直射的聚能射孔弹,使其平均穿孔深度逐渐下降,最大达到了17.8%。如果考虑定射角射孔器中直射的聚能射孔弹穿深性能的下降,45°射角聚能射孔弹的平均穿孔深度总体下降了33.7%(见图2)。

图2 外径89 mm定射角射孔器穿深变化规律

外径102 mm定射角射孔器,15°射角的定射角射孔器中的带射角聚能射孔弹的平均穿孔深度与同枪中直射的聚能射孔弹的穿孔深度基本一致,标准差明显增大(95～135 mm),已显示出受到干扰的迹象;45°射角的定射角射孔器中直射的聚能射孔弹的平均穿孔深度与15°射角的枪中直射的聚能射孔弹的平均穿孔深度变化不大,但标准差上升到62～244 mm,表明产品极不稳定。

3.3 定射角射孔器内部结构引起的弹间干扰

外径89、102 mm的普通聚能射孔器在16孔/m的条件下不会产生弹间干扰,而2组定射角射孔试验显示,出现了不同程度的弹间干扰。利用公式(1)可以简单判断聚能射孔器中是否存在弹间距引起的干扰现象:视起爆速度≥476 m/s时,弹间干扰不明显[7]。计算外径89、102 mm定射角射孔器在13孔/m

的条件下(见表5)的最低视起爆速度分别为1 478、1 070 m/s,表明聚能射孔弹排列密度不是引起弹间干扰的原因。

va=Lv/l

(1)

式中,va为视起爆速度,m/s;L为弹间距(边缘距),m;v为导爆索爆速,m/s;l为弹间导爆索长度,m。

与普通射孔器中导爆索均匀、平缓绕行在聚能射孔弹的尾部相比,定射角射孔器中导爆索线路中出现较多带角度的波动。这是由于聚能射孔弹以一定角度安装在弹架上,原导爆索槽的角度、弹架结构与导爆索的走向不再一致,装配过程中,操作人员强行使其配合,导致导爆索变形造成的。即便这样操作,导爆索与聚能射孔弹的起爆孔接触效果也会变差且导爆索变形明显,一方面影响了导爆索的爆速;另一方面影响了起爆效果,综合所致,表现为定射角射孔器中不同程度的穿孔深度下降、数据波动增大。

完成了改进弹架结构的45°射角的外径89 mm定射角射孔器混凝土靶射孔试验,带射角聚能射孔弹的平均穿孔深度为672 mm、标准差为65 mm,同枪中直射的聚能射孔弹的穿孔深度为749 mm、标准差为59 mm,与改进前相比穿孔深度明显提高,标准差明显降低(见表6)。表明通过调整定射角聚能射孔弹的导爆索槽角度、弹架结构可以减少导爆索线路中的波动、角度,降低对爆速的影响,同时改善了导爆索与聚能射孔弹传爆孔的接触,获得了更好的起爆效果。但由于带射角弹形成的射流“着角”入靶所造成的影响是无法通过射孔器内部结构的改进来消除的,定射角射孔器的穿孔性能随着射角的增加而降低是其射孔原理决定的。

表5 射孔器内结构参数

注:①83.9/96.6为对应射角的聚能射孔弹两边导爆索的长度;②2539/2205为对应射角的聚能射孔弹两边导爆索的视起爆速度。

表6 外径89 mm定射角射孔器结果对比

4 结论与建议

(1)射角影响定射角射孔器的穿孔深度,随着射角的增加穿孔深度逐渐下降。外径89 mm定射角射孔器,15°射角与直射的聚能射孔弹的穿孔深度基本一致;45°射角聚能射孔弹与同一射孔器中直射的聚能射孔弹的穿孔深度相比下降了19.3%、与15°定射角射孔器中直射的聚能射孔弹的穿孔深度相比下降了33.7%;外径102 mm定射角射孔器穿孔深度下降幅度大,且波动大,受到的影响程度更大。

(2)射角变化引起了定射角射孔器中的聚能射孔弹的导爆索槽、弹架与导爆索不匹配,影响了导爆索的爆速和对聚能射孔弹的起爆效果,在降低了带射角聚能射孔弹的穿孔深度的同时,也影响到直射的聚能射孔弹的穿孔深度。通过改进定射角射孔器内部结构可以降低导爆索引起的性能降低,而由带射角弹形成的射流“着角”入靶所造成的影响无法通过射孔器内部结构的改进来消除。

(3)建议进一步开展定射角射孔器内部结构对穿孔性能的研究,有针对性地优化产品整体结构、提高性能,满足现场需求。