川西海相碳酸盐岩储层射孔效率测试评价试验

罗 伟

(1.南充职业技术学院机电工程学院，四川 南充 637131；2.中国石化西南油气分公司，四川 德阳 618000)

川西海相碳酸盐岩储层具有埋藏深、孔隙度低、渗透率低的特点，储层整体较为致密，因此大规模的酸化改造是获得其产量的必要关键技术，但前期改造过程中，普遍存在射孔后地层吸液困难、改造难度大的问题[1]。储层反映出地层破裂压力高，除与本身物性相关以外，同时射孔后形成的孔道形态(包括穿深、孔径、杵体等)也会对其产生较大影响[2]。考虑到川西海相储层整体致密、围压高、温度高以及射孔弹能否有效穿透泥浆污染带和井眼应力集中带等难以确定的问题，同时通过SPAN等理论校正模型得到的结果又存在较大的偏差[3-6]。因此，有必要开展模拟真实储层环境下的岩石靶射孔效率测试试验，找出川西海相储层破裂压力高、地层吸液难的主要矛盾，为后期改造采取针对性的降破措施提供依据[7-10]。

1 岩石靶制备及抗压强度测试

1.1 岩石靶制备

岩石靶的岩芯取至川西海相储层岩石露头，包括3种白云岩：灰云岩、藻云岩和微粉晶岩，共计25根岩芯。岩芯直径152 mm，由于天然取样加工时裂纹的存在，使得岩芯高度不一。岩芯装入直径350 mm靶套内，靶套为A3钢板，厚度3 mm，在岩芯和钢板靶套之间用水泥固定。为保证水泥的固化，养护天数不少于28 d，在养护期间，顶面覆盖100 mm深的清水。

1.2 岩石抗压强度测试

为了解3种岩芯的物理特性，对其进行了单轴抗压强度测试。采用TYE-300C型压力试验机，载荷上限300 kN，加载速率设置为1.2 kN/s，圆柱体(尺寸为φ25×50 mm)岩芯样块面积设置为5 cm2。试验结果如表1所示。

表1 圆柱体岩芯试验数据

2 地面岩石靶射孔测试

地面岩石靶射孔测试主要评价射孔弹在模拟装枪时对川西海相储层3种岩石靶的穿透性能。测试采用89型超高温射孔弹，耐温220 ℃/100 h，该射孔弹通过API 19B认证；炸药采用高爆速超高温LLM-105炸药，装药量28 g；混凝土靶穿孔深度947 mm，孔径9.2 mm。

2.1 试验方法

在岩石靶顶面装配好测试的射孔弹，采用模拟装枪的方式，枪内炸高与实际装枪炸高一致，模拟枪厚5 mm，枪套间隙与实际情况一致并注入清水，模拟套管壁厚10 mm，且保证射孔弹中心线与岩石靶的中心重合，具体测试装配如图1所示。试验时连接导爆索和雷管，射孔弹起爆后将靶套用切割机切开，再去掉约束水泥，测量岩芯内的射孔穿深和模拟套管上的射孔孔径。

图1 地面岩石靶射孔的测试装配Fig.1 Perforation experiment facility of the ground target

2.2 试验结果

2.2.1 射孔孔道形态

岩石靶剖开后岩芯破坏情况如图2所示，由于3种白云岩的强度高、脆性高，射孔后岩石整体破碎程度比较严重。岩石靶顶部无水泥环，直接正对射孔弹爆炸冲击，致使3种岩芯端面射孔孔道破坏。

图2 岩石靶剖开岩芯破坏情况Fig.2 Core damage of the rock target cut open

灰云岩的孔眼形态如图3所示，射流形成的射孔孔道又直又粗。从局部放大区域可以看出，射孔孔道四周碎成小颗粒形成压实带，如图中孔道周围的浅色粉末层；离射孔孔道较远区域为破碎区，在射流的冲击作用下形成一些不规则的微裂隙，具体如图黑色虚线框内所示；在射孔孔道末端由于射流的持续冲击形成了一个椭圆形沟槽，并形成了几条微裂缝。

图3 灰云岩射孔孔道Fig.3 Perforation channel of limestone

由于藻云岩的脆性更大，胶结强度更低，在射流的冲击作用下，岩芯整体破碎较严重，造成射孔孔道不连续，并且在射孔孔道末端形成的裂缝更明显、更长(见图4)。

图4 藻云岩射孔孔道Fig.4 Perforation channel of algae limestone

对于微粉晶岩，形成的射孔孔道较直且一致性好，由于质地细腻，形成的破碎区较小；在射孔孔道末端，形成的大面积射流喷溅与岩石天然裂缝刚好接合(见图5)。

图5 微粉晶岩射孔孔道Fig.5 Perforation channel of micro powder crystal limestone

从图3～图5可以看到，3种岩石的射孔孔道内都存在大量的杵体，形成杵体的主要原因为岩芯强度高，金属射流端部速度下降太快，射流未能充分拉伸，出现射流堆积现象，导致射孔孔道内形成大量杵体。

2.2.2 数据测量

测试结果如表2所示。

表2 地面岩石靶射孔测试结果

3 模拟储层环境岩石靶的射孔测试

模拟储层环境岩石靶的射孔测试主要是评价在高温及储层围压的约束条件下，射孔弹在模拟装枪时对川西海相储层3种岩石靶的穿透性能。

3.1 试验方法

1)岩石靶制备。测试所用的岩芯，用3 mm的胶皮包裹后直接装入156 mm的靶套内固定，岩芯及靶套长度比射孔弹预计穿深大100 mm，靶套顶部预制10 mm的模拟套管，在模拟套管和岩芯上端面之间装入相应的水泥环，进而模拟射孔弹井下最真实的穿透结构。

2)测试装配结构与试验流程。模拟储层环境下岩石靶射孔测试装配结构与地面岩石靶射孔测试装配结构类似，不同点只是将装配好的试验测试靶放入高温高压容器内，然后关闭容器上盖，连接数据线，启动温度控制系统，保温至预设温度160 ℃；保温10 h后，启动压力控制系统，加压至预设围压60 MPa，打开爆速测量仪，点火引爆试验射孔弹，记录爆速和瞬态压力变化；最后启动冷却系统，将试验容器温度降至80 ℃后，释放容器压力，拆除数据线，打开容器上盖，提出试验测试靶，进行观察及数据测量。

3.2 试验结果

1)射孔孔道形态。以灰云岩为例(见图6)，由于受水泥环、靶套以及围压的影响，经射流作用后的岩芯端面完整性保存较好，岩芯无破碎现象，但肉眼可见几条明显的裂纹，沿射流穿孔方向延伸。对于3种岩石在模拟储层环境下(见图7～图9)，射流形成的孔道都较直、较粗，且一致性较好；射孔孔道周围均形成20 mm左右的白色压实带区域；在射流冲击作用下孔道末端均产生横向裂缝；孔道内射流杵体堆积严重，杵体将孔道全部填满，且水泥环和模拟套管孔眼均被杵体填满。

图6 岩石靶剖开岩芯破坏情况Fig.6 Core damage of the rock target cut open

图7 灰云岩射孔孔道形态Fig.7 Perforation channel shape of limestone

图8 藻云岩射孔孔道形态Fig.8 Perforation channel shape of algae limestone

图9 微粉晶岩射孔孔道形态Fig.9 Perforation channel shape of micro powder crystal limestone

2)数据测量。测试结果如表3所示。

表3 模拟储层环境下岩石靶射孔测试结果

4 结果分析

1)对比试验时用射孔弹在混凝土靶、地面岩石靶及模拟储层环境下岩石靶的穿透性能可知(见表4)，相对于混凝土靶，射孔弹在川西海相3种地面岩石靶的射孔穿深平均下降63%；而模拟储层高温围压情况下的射孔穿深又比地面情况平均下降了42%；在川西海相实际开发过程中，射孔弹在地下的穿深将大打折扣，地下实际穿深平均只有混凝土靶穿深的20%。

表4 射孔弹在不同条件下的穿透性能对比

2)结合川西海相储层3 种岩石抗压强度测试结果和地面射孔穿深测试结果(见表5)可以看出，地面射孔穿深与岩石抗压强度成负相关，这与传统的认识一致，进而也验证了本次试验结果的有效性。

表5 岩石抗压强度与射孔穿深的关系

5 结论

1)模拟储层环境下，89型射孔弹在川西海相3种岩石中的地下穿深相对于混凝土靶穿深下降达80%，相对于地面岩石靶穿深下降达42%，地下平均穿深只有197 mm，难以有效穿透泥浆污染带和井眼应力集中带，这是造成川西海相储层破裂压力高的重要原因。

2)地面及模拟储层环境岩石靶射孔测试都显示，孔道周围会形成20 mm左右的射孔压实带；虽然射流冲击会在孔道末端产生裂缝，但孔道内大量堆积的杵体限制了末端裂缝降破作用的发挥。

3)本次试验证实了射孔穿深与岩石抗压强度成负相关，与传统认识吻合。

4)提高射孔弹地下实际穿深以及清洁孔眼使酸液与孔道末端裂缝能有效贯通，是川西海相储层下一步射孔降破的有效途径。调研发现Tristim射孔技术、自清洁射孔技术以及后效射孔技术能达到川西海相储层降破的目的，下一步将开展应用适应性评价。