復合射孔技術在淺層氣防砂中的應用

姬洪剛(中海石油(中國)有限公司天津分公司工程技術作業中心，天津 300452)

1 復合射孔防砂技術的提出

根據我國石油開采的工作需要，傳統的防砂技術已經無法滿足當前油田開采的防砂需求，并且由于傳統的化學防砂技術和機械防砂技術對油田開采的防砂工藝投資較大，回報率較低，不符合現代化油田開采防砂需要。淺層氣地址特點各不相同，通常情況下，這種傳統的防砂工藝首先射孔再進行防砂施工，這種防砂效果比較受限，加大了防砂工作的投資，且回報率無法成正比，在長期的防砂工作中，無法成為常態化的防砂工作需要。與此同時，傳統的防砂技術針對膠結物接觸性能較差，同時以泥質為主的膠結物，膠結疏松，成巖性相對較差，使得油田開采過程中出砂比較嚴重，甚至生產周期比較短，無法滿足長時間產出，采出程度比較差[1]。因此，為了更好地適應油田開采防砂工作，復合射孔技術就被提上研究層面進行分析，借助防砂和射孔的工藝原理，有機結合在一起，這種技術與傳統防砂技術相比，優點相對明顯，能夠完成一次性防砂工作。同時，由于這種防砂技術工藝簡單、投資較小、節省資源、防砂效果突出等特征的同時存在，復合射孔技術在淺層氣防砂應用中營運而生。

2 復合射孔防砂技術的工藝原理

復合射孔防砂技術是利用復合射孔彈在對套管射孔過程中，將射孔與防砂作業同時完成。其主要的工藝原理是將防砂材料填入到復合射彈孔的過程中，其復合射彈孔做密封處理工作，通過密封處理，當聚能射孔彈被引爆后，所產生的高溫和高壓快速穿透套管，穿過油層，形成了等同直徑孔眼形狀的射孔，當射孔彈起爆并發射后，所產生的溫度非常高，并且溫度上升速度極快，導致在射孔彈發射的路徑上產生負壓區[2]。當射孔彈被起爆發射到套管的底部時，就會以高速、高壓的形式撞擊巖層，從而使裝入射孔彈內的易燃易爆物品產生爆炸，通過這種方式，可以將防砂材料從射孔彈孔眼形狀之中噴出，從而就產生了一道具有致密性的防砂層，以此來達到防止油井出沙的目的。

復合射孔彈防砂技術的實際操作，主要由以下部分組成：一是射孔彈射孔，顧名思義就是采用現代化技術，在油田中射出比較理想化的孔道；二是通過使用火藥，在符合射孔孔道內點火，形成高壓，迫使孔道壓開壓實層和污染層，這樣做的目的是在油層和井筒之間建立渠道，以達到清堵和壓裂的目的；三是通過火藥的助推作用，將防砂材料射入由孔彈打出的孔道之中，最終形成防砂作用；四是當射孔彈內的火藥燃燒結束后，孔道和井孔壓力會降低，油層不斷收縮回填孔道，壓實防砂塞，形成具有的膠結結構，完成防砂工作。

3 復合射孔彈物理研究

3.1 復合射孔彈技術優點

復合射孔彈相比較于傳統的化學防砂和機械防砂工藝而言，具有比較明顯的優勢，主要集中在以下兩個方面：一是針對施工油井的不同情況，可以選擇很多種射孔段，這樣可以幫助相關工作技術人員能夠控制油井的氣、油和水的流量。舉個例子，當工作人員遇到油田稠油區塊時，利用射孔彈的分層增注增產效果，這樣的施工效果是保護射孔防砂的最好作業方式。二是復合射孔彈防砂技術操作簡單，防砂的時間比較長，在傳統的化學防砂和機械防砂措施中，雖然能起到一定的防砂效果，但油田的開采時間比較長，容易導致出砂問題的反復性出現，不利于作業人員的順利開展工作[3]。但復合射孔彈的出現，延長了作業時間，防止出砂問題困擾生產，同時能夠防止井壁坍塌，提高工作效率。

3.2 射孔彈防砂材料設計

傳統的化學防砂和機械防砂，通常是獨立運行工作，但射孔彈防砂效果，基本需要借助在復合射孔彈內部的防砂材料，針對這種情況，如何選擇所需的防砂材料，需要仔細設計。想要做好油田防砂工作，必須在射孔彈內裝入足夠多的防砂材料，這樣做的目的是一次性將所需防砂材料噴出，避免防砂材料的不足，導致工作效率低下。同時，還得保證所選擇的防砂材料在射孔彈中均勻分布，避免在射孔彈內出現空氣或材料沉淀現象的發生，這樣做的目的是防止在射孔彈引爆后無法形成防砂層，避免浪費資源。這種高溫度和高氣壓對于射孔彈的質量要求極高，必須保證管柱及管套的質量滿足爆炸要求，才能對射孔技術產生明顯效果。

3.3 復合射孔彈理論和結果研究

經過相關領域科學研究，并借助計算機模擬軟件實驗計算，得出射孔彈射流頭部的速度數據為6 729 m/s，碰撞時的物理強度50 MPa時，射流臨界速度達到1 043 m/s，而從碰撞剛好接觸到射孔彈噴射時間為80～150 ms，根基理論計算，復合射孔彈的封堵塞在到達前倉的底部時間通常為60～100 μs。通過上述數據的分析，建立動畫模擬實驗，可以清晰的看見整個防砂工作的流程，對于今后的工作設計和作業人員的工作開展都具有較強的借鑒價值和參考意義。

4 復合射孔室內實驗模擬研究

復合射孔室內實驗模擬研究可分為單發模擬試驗和整槍模擬試驗。單發模擬試驗設計的主要目的是制造出類似于射孔槍的封閉體系，利用這個體系，使復合射孔器在這個體系中作業，從而得到模擬射槍內的實際過程。這個試驗在射孔彈爆炸的瞬間，射孔槍內的溫度急劇上升，槍內的壓力也在升高，在這個有限的空間內，溫度和壓力直接推進了防砂材料，待射孔打出通道后，槍內的溫度和壓力就逐漸降低，形成與外界平衡的狀態，這種模擬試驗對性能的反映只是單發性，比較適合做機理性研究。而整槍模擬試驗是滿足井下的多發彈裝在一支槍的需求，同時，由于槍內多發彈的連續引爆，導致槍內壓力變化較大，從而影響防砂材料的輸送，甚至出現了嚴重的彈內干擾，針對這種現象，采用整槍模擬試驗是一種滿足技術需求的技術需要，而經過行業領域的多次研究和技術調整，對彈內干擾的問題得到徹底解決，從而使得試驗的各項數據和指標均與單發性實驗相同，使得整槍模擬試驗得到實際應用，在無法采用單發試驗應用的時候，對于整槍試驗的應用就顯得極為重要[4]。

通過室內設計，建立一種類似于這種工作方式的模擬流程，形成一個封閉的實驗體系，在這種體系中進行模擬實驗，開展虛擬的作業環節，然后模擬射孔彈在設計工作中的整體過程。通過這個模擬系統，嘗試模擬射孔彈在爆炸的瞬間，系統里面的壓力和溫度極速上升的過程，以此方式進行防砂材料的選擇和分布，并分析這個壓力和溫度對防砂材料推進速度的影響[5]。隨著射孔彈模擬射孔的作業進一步深入，爆炸后形成的金屬射流，穿過槍壁套管和水泥環，從而模擬出在地層中打孔實驗。

5 結語

由于化學防砂技術和機械防砂技術在油田開采過程中，存在著諸多不利于防砂的技術需要，嚴重制約了油田的開采。同時，這兩種技術的發展已經跟不上社會發展的需要，針對這種現象，復合射孔防砂技術不斷被提出來進行研究。在傳統防砂技術的基礎上，通過計算機的多維模擬實驗，分析復合射孔防砂技術的應用前景和價值，開發出具有防砂效果好，投入資金相對少于傳統防砂技術，甚至結構也相對簡單的復合射孔防砂技術。在國內外油田開采過程中，油井出砂是一個普遍的問題，在這種環境下，通過大量的實驗研究，發現復合射孔防砂技術防砂工序比較簡單方便、防砂效果好、對地層的損傷比較小和投入資金小等優點，使得復合射孔防砂技術被逐漸重視并推廣應用。實際上，復合射孔防砂技術是油田防砂領域的一種改革，在傳統防砂技術基礎上不斷創新，徹底擺脫對傳統防砂技術的依賴，以此來減少資源的浪費和成本節約，促進防砂技術跟得上社會發展的需要，滿足油田開采防砂技術的需求，而復合射孔防砂技術的發明，提高了油田開采的質量，為淺層氣防砂提供了先進和高效的防砂技術。這種防砂技術的應用，是一種基于傳統防砂技術的突破，針對復合射孔防砂技術，其理論基礎相對扎實，設計出來的技術特點也比較可靠，試驗的設計具有可操作性，工藝施工流程比較簡單。同時，針對后期的開采作業比較方便，對地層的損傷也比較小，防砂效果也優于傳統化學防砂和機械防砂，是油田防砂技術發展的新途徑。