不同强度致密砂岩对射孔弹穿深的影响

王喜,李尚杰,马英文,盛廷强,李必红

(1.西安物华巨能爆破器材有限责任公司,陕西 西安 710061;2.中海油天津分公司工程技术中心,天津 300452;3.中海油田服务股份有限公司,天津 300452)

0 引 言

与常规油气资源相比,致密油气藏储层具有高的抗压应力和高地层压力等特点。彭原平等[1-4]使用高温高压射孔装置对非致密砂岩靶进行了射孔弹性能评价,所用砂岩靶孔隙度分布范围为12%～22%,对应的单轴抗压强度范围为8～46.5 MPa,常温常压下使用89型射孔弹进行砂岩靶的穿孔性能实验,其穿孔深度在253～304 mm之间。Liam McNelis等[5]依据API RP19B标准要求,对5种砂岩进行了射孔弹穿深性能的研究,孔隙度范围在11%～22%,研究对象主要以非致密砂岩为主。

上述研究工作对相应地层类型的射孔参数优化有一定的指导意义,而国内外对致密砂岩的射孔研究较少。致密油气藏地质条件复杂,储层具有低孔隙度、低渗透率特点,勘探和开发难度高,射孔孔眼作为沟通井筒和地层的通道,其效果和射孔器的性能至关重要。因此,开展高应力致密岩层射孔技术研究,了解不同强度致密砂岩的物理特性和射孔弹在高致密岩层的穿孔性能,可为今后射孔弹个性化定制设计提供方向,同时为非常规油气藏开发的增产措施提供新的途径。

1 致密砂岩靶选择和试验

选用致密灰色砂岩、致密红色砂岩和致密紫色砂岩3种具有强度梯度差的致密砂岩作为目标靶,3种致密砂岩部分物性参数见表1。

表1 3种致密砂岩部分物性参数

图2 114型射孔弹地面模拟装枪穿致密砂岩靶效果图

1.1 试验器材

选用114型和89型2种超深穿透射孔弹,地面模拟装枪试验装配参见文献[6],地面模拟装枪炸高参数见表2。目标靶尺寸规格见表3。

1.2 试验条件

试验条件1:常温常压条件下进行地面模拟装枪穿3种致密砂岩靶性能试验。

*非法定计量单位,1 in=2.54 cm,下同

表3 致密砂岩靶规格

试验条件2:选用89型超深穿透射孔弹在中石化胜利石油工程有限公司测井公司高温高压射孔效能实验室进行穿孔性能试验,试验装配见图1。其中井筒温度为60 ℃,靶体围压为30 MPa,研究中选取致密红砂岩作为测试靶,靶体尺寸为Φ150 mm×750 mm。

图1 试验装配示意图

1.3 试验结果

1.3.1 射孔弹地面模拟装枪穿致密砂岩试验

按照试验条件1,114型和89型射孔弹穿致密砂岩靶试验效果见图2和图3。穿深性能测试结果见表4。

图3 89型射孔弹地面模拟装枪穿致密砂岩靶效果图

致密砂岩类型试验序号穿孔深度/mm114型89型模拟套管穿孔孔径/mm114型89型178061011.3×11.59.0×9.1275058011.2×11.69.0×9.9致密灰砂岩373059511.4×11.49.1×9.5473060511.9×12.19.0×9.3571059011.5×11.79.5×9.8平均值74059611.69.3173051011.2×11.78.2×9.3278549511.4×11.68.6×8.8致密红砂岩372048011.3×11.68.3×9.0471049011.5×11.58.5×9.2569050511.4×11.78.6×8.9平均值72749611.58.7165044011.6×11.89.4×9.4261046511.2×11.38.7×9.2致密紫砂岩363045011.8×12.38.4×8.8459044510.5×10.78.5×9.1563045011.3×11.48.6×9.0平均值62245011.49.0

1.3.2 89型射孔弹在30 MPa、60 ℃条件下穿致密砂岩靶试验

按照试验条件2,89型射孔弹模拟装枪穿致密红砂岩靶试验效果见图4。穿深性能测试结果见表5。

表5 30 MPa/60 ℃条件下89型射孔弹地面模拟装枪穿致密红砂岩靶试验数据

图4 30 MPa/60 ℃条件下89型射孔弹地面模拟装枪穿致密红砂岩靶效果图

2 结果分析

2.1 致密砂岩靶强度对穿深的影响

地面模拟装114枪穿不同强度致密砂岩靶穿深数据分布图及影响见图5和图6。

从图6可知,同种射孔弹在不同强度致密砂岩靶的穿深呈现下降趋势,该结论与国外研究结果一致[7-8];由于装药量的差别,114型射孔弹穿深比89型射孔弹穿深效果更有优势。

图5 地面模拟装枪穿不同强度致密砂岩靶穿深数据对比图

图6 致密砂岩强度与射孔穿深的关系图

2.2 致密砂岩靶在围压条件下对穿深的影响

89型射孔弹分别在常温常压条件下和井筒温度为60 ℃,靶体围压为30 MPa条件下进行了模拟装枪穿致密红砂岩靶试验,穿深数据对比图见图7。

图7 89型射孔弹在有无围压条件下的穿深对比图

通过表4和表5可知,89型射孔弹在30 MPa/60 ℃条件下穿深较常温常压条件下平均穿深降低23%,与文献[2]中所述结论靶体在受应力约束条件下的穿深比无应力约束条件下的穿深低一致。研究中射孔弹所使用的炸药为RDX,根据文献[9]中所述RDX炸药在107 ℃条件下经200 h后开始分解。因此,研究中89型射孔弹在60 ℃环境下爆轰性能是稳定的,靶体围压成为对89型射孔弹穿深影响的主要因素,同种射孔弹在不同围压条件下对致密砂岩靶的穿深影响需要进一步研究。

2.3 砂岩颗粒对穿深的影响

砂岩颗粒对穿孔深度的影响主要为砂岩粒度、颗粒硬度2个方面。研究中选用致密灰砂岩、致密红砂岩和致密紫砂岩碎屑成分中石英含量均超过80%,属于石英砂岩,砂岩颗粒硬度基本一致。

致密灰砂岩结构属于细砂结构,致密红砂岩属于细-极细砂结构,致密紫砂岩属于中细砂结构,其中砂、细砂和极细砂含量差异很大。据文献[10]所述,随着砂岩颗粒度增大,砂岩靶穿孔深度呈下降趋势。致密红砂岩在抗压强度上高于灰砂岩强度,两者相差16.5 MPa;但致密灰砂岩的颗粒度大于红砂岩颗粒度,在样块抗压强度和砂岩颗粒粒度的综合影响下,致密红砂岩的穿孔深度和致密灰砂岩的穿孔深度相差仅有13 mm。致密紫砂岩碎屑中细砂、极细砂含量和灰砂岩细砂、极细砂含量相差不大,但致密紫砂岩在抗压强度高于灰砂岩,对穿孔深度影响较大。

综上所述,致密砂岩的抗压强度对穿深的影响较砂岩颗粒对穿深的影响严重。

2.4 孔隙度对穿深的影响

孔隙度越小,砂岩越致密,砂岩越接近均质状态。根据表1和表3,按照试验条件1,得到2种型号射孔弹在不同致密砂岩靶孔隙度条件下的穿孔深度对比(见表6)。

表6 孔隙度对2种型号射孔弹穿孔深度的对比

从表6可知,孔隙度相差越大,对穿深的影响越明显。89型射孔弹穿深受孔隙度的影响大于114型射孔弹,造成这现象的主要原因是114型射孔弹形成的射流能量远远大于89型射孔弹的射流能量,114型射孔弹在穿致密砂岩时穿深上更具优势。

3 结论

(1)在无围压约束条件下,同种射孔弹对不同强度的致密砂岩靶进行穿孔试验,得到砂岩抗压强度和孔隙度是影响射孔弹穿深的主要影响因素。

(2)不同砂岩靶的孔隙度、碎屑颗粒、颗粒硬度均会对靶体的穿深有影响,因此,从试验得出的抗压强度对穿深有较大影响外,还需要进一步了解地层中砂岩的性质,减少实际应用差异。

(3)89型射孔弹在围压条件下对致密红砂岩靶的穿深性能相比裸靶下降达到23%,下降明显。而射孔弹在不同围压条件下,对不同强度致密砂岩的穿孔深度的影响还需进一步研究,为致密砂岩储层的射孔工艺设计提供更好的数据支持。

(4)从穿孔深度和穿孔孔径角度看,大药量、大口径、超深穿透射孔弹更适合对致密砂岩储层射孔。