复合射孔防砂技术研究及在锦45块的现场应用
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摘 要：针对油井在防砂中存在的地层伤害严重，井筒内留有残余物、施工程序复杂，作业成本高，有效期短等问题，采取将射孔和防砂两个工艺过程一次施工完成的一项新技术即复合射孔防砂技术，经过室内研究、物理模拟、复合射孔器设计研制、现场试验过程，取得良好的防砂试验效果。试验表明，复合射孔防砂技术技术优势明显,是传统防砂思想的重大突破。
锦45块是一层状砂岩边底水稠油藏，含油面积9.0Km2，地质储量5697×104t，油层孔隙度28.7~32.4%，渗透率753×10-3μm 2~1121×10-3μm2，泥质含量7.8~11.3%，原始地层压力9.75 MPa~10.95 Mpa，有效厚度11.1~17.5m，油藏埋深890~1180m，开发目的层为下第三系沙河街组沙一中至沙二段即于楼油层和兴隆台油层。原油密度0.9622g/cm3~0.993 g/cm3，原油黏度494~7697 mPa.S。该区块于1984年11月投入开发，截止2010年11月共有油井1035口，大部分油井出砂。随着辽河油田开发的日益深入，油井出砂问题变得越来越突出，现有的各种防砂方法都存在着不同程度的缺点，防砂技术面临新的困难和挑战。其中机械防砂方法，井筒内留有筛管和封隔器，井下工具打捞困难，修井作业费用高，而且为油田生产后期各种增产措施、分层处理带来困难；管内防砂还将减少内通径，影响油井产能及各种井下工具的下入；化学防砂方法又存在地层伤害严重，防砂有效期短，同时易受层间矛盾影响等。
针对以上问题，我们提出并研制了复合射孔防砂技术，它将射孔和防砂两个工艺过程由一次施工完成，不仅极大地简化施工程序，同时油井地层不受伤害，达到了提高油井产能的目的。
一、复合射孔防砂技术工艺原理
复合射孔防砂技术是利用复合射孔弹在对套管射孔过程中，将射孔与防砂作业同时完成，复合射孔弹内装有防砂材料。当聚能射孔弹起爆后，形成的高温、高压射流穿透套管在油层中射孔，形成射孔技术要求的孔眼形状。由于射流速度很高，它经过的途 径周围就形成一个负压区，射孔弹中主装药的爆炸产物迅速膨胀，使射孔枪内部压力急剧升高，将防砂材料从枪管的射孔孔眼中推出，以不规则状交织压实并固定于打出的地层孔道中，形成一个防砂的遮挡层，完成防砂过程。
二、复合射孔弹的研究
1.大口径弹的研制
为提高防砂材料输出量，要求复合射孔弹与普通射孔弹的结构有较大不同。现在油田应用的射孔弹不能满足以上要求，为此必须重新设计新型的复合射孔弹。
2.防砂材料设计
弹体内的防砂材料尽可能多的送进射孔打出的孔道中,使防砂材料在孔道中分布尽量合理，没有堆积和间断现象；同时不应对管柱、套管及井下设施造成新的破坏。根据各井地层的具体情况，防砂材料对孔道的充填量、密度、强度、位置应该是可调的。
3.理论计算
根据聚能破甲弹理论，射孔弹射流的形成及射流对靶的侵彻过程遵循的规律公式，导出射流形成过程参数计算的基本方程组[4]。将方程组代入SGJP程序进行计算，计算可得出如下结果：
3.1射流的头部速度为6800m/s；
3.2在抗压强度为40MPa的水泥靶上，射流的临界速度为1050m/s；
3.3封堵塞到达前仓底部的时间应为50~100μs。
根据以上计算结果及相关室内试验结果，可以对大孔径射孔弹的几何形状，防砂材料、用量、形状等进行具体设计，从而形成复合射孔弹整体结构。
三、室内模拟试验研究
1.单发模拟试验
设计模拟枪装置的目的，就是要制造一种类似射孔枪这样一个封闭体系，复合射孔器在这样的环境中作业，模拟射孔枪内实际过程。
在射孔弹爆炸的瞬间，枪内的压力和温度骤然升高，在这个封闭体系空间内的压力、温度的变化将直接影响防砂材料的推进速度。随后是射孔弹的射孔作业，炸药压垮药型罩，形成金属射流，穿过枪壁、套管及水泥环，在地层中打出孔道。这一过程中，射孔弹打出的孔是唯一的泄压通道。金属射流、炸药爆轰产物以及防砂材料都要经过这个孔道向外喷射，枪内压力逐渐降低，最后与外界压力平衡。
经过300余次复合射孔弹单发模拟试验，确定了射孔弹总体装配结构形式，最终达到能够满足现场应用要求的技术指标如下：
a 复合射孔弹启爆率、射孔率100%，
b 防砂材料出仓率90%、充填率100%；
c 射孔孔眼14~16mm ，穿深≥350mm ；
d 防砂粒径≥0.1mm ，渗透率≥32μm2；
e 防砂塞耐压强度10 MPa ，耐温350℃。
2.整枪模拟试验
单发模拟试验只能反映单发的性能，适应做机理性研究。而井下的实际工况是多发弹装在一支枪内，以一定相位角放置。多弹连续启爆引起枪内压力变化，影响防砂材料输入，在试验中出现严重的弹内干扰，因此必须进行整枪模拟试验。
经过多次整枪模拟试验及调整，彻底解决了弹间干扰问题，试验结果各项技术指标与单发试验相同，达到现场试验要求。
四、现场应用
复合射孔防砂技术现场应用情况：
锦45-013-21井，2008年9月30日进行复合射孔防砂施工，井段976.8~950.5m， 19.6m/5层，于1油层组，原始地层压力9.75MPa，目前地层压力5.7MPa，油层温度45℃，孔隙度16.5~26.1%，声波时差418~550，渗透率1495.8-249.1×10-3μm2，含水38.1~65.5%，泥质含量11.5~27.1%，粒度中值0.21mm，原油粘度12316mPa.S，凝固点13 ℃，密度0.9330g/cm3。2008年10月3~8日第三轮注汽,注汽压力12.6 MPa,注汽量2375 m 3。日产油17 t/d,水22m3/d,累产油2866.0t,水2926.0 m 3,日前日产油10.6t/d，日产水8.5m3/d，无砂。
通过复合射孔防砂技术在本井的应用，可以明显看出，复合射孔防砂技术具有良好的防砂生产效果。
五、结论
复合射孔防砂技术在国际石油行业首次独家提出并实现射孔与防砂技术的巧妙结合,技术难度大,科技含量高，是传统防砂思想的重大突破。此项技术理论基础扎实，设计合理，复合射孔器安全可靠，中间试验完备，现场施工简单，后期作业方便，地层损伤小，防砂效果好，具有广阔的推广前景，是出砂油田高效开发的一条新途径。
参考文献：
[1]北京工业学院八系，爆炸及其应用，北京：国防工业出版社，1979.
[2]周起槐等，火药物理化学性能，国防工业出版社 1982.
[3]吴俊德，火药装药设计，华东工学院，1972.
[4]Chou.P.C. et al.Improved Formulas for Velocity Acceleration and Projection Angle of Explosively Driven Liners. Proc. 6th Int. Symp.,on Ballistics Orlando FL ,1981(10)：27~29.