1、油管输送射孔效果监测初论张兴杰摘要目前油管输送射孔工艺采用的越来越多,施工井越来越复杂，有的井斜度很大、有的井射孔跨度很大；射孔施工工艺也越来越多,很多工艺在射孔器上部都带着封隔器。在施工当中很难凭借个人的经验判断射孔的效果。现在，没有很好的方案解决井下射孔器的发射率问题。本文叙述的主要内容是：在了解射孔器所用射孔器材的性能参数的前提下，引用声波、地震波等相关知识，分析射孔器在井下射孔的情况，提出解决问题的方案。通过对现有仪器存在缺陷的分析，提出新的方案：通过测量射孔器在井下射孔所采集的地震波与理论计算的波形进行对比，得出射孔器的发射率。关键词：射孔器、发射率前言射孔是目前主要的完井方法。当前
2、，由于科技的发展和工艺的改进，射孔器材得到了长足的发展，加上数控射孔仪的广泛应用，大大提高了射孔的质量。射孔质量的优劣直接关系到油气的开发生产，因此，射孔质 量的鉴定是大家关注的焦点问题。现在我们在射孔器材质量的控制和射孔的校深及检测技术都已成熟，但却不能及时准确的监测井下射孔的情况，尤其是油管输送射孔，只能依靠井口地面的震动感官上认为射孔器已发射，射孔器的发射率只能靠人为的对起出的枪身进行数孔才能确定，这无疑是十分落后的。如果油管输送射孔作业完成后，油井立即投入生产，就很难得到射孔器的发射率。如果有一种能够明显判断射孔起爆和发射情况的仪器，帮助现场判断，就能给现场施工带来很多便利，并能帮助甲
3、方更好的进行下一步的施工。这就需要一整套井下爆炸的监测系统。现有的监测仪器1、尾声检测仪西安二一三所研制了一套油管输送监测系统，它可初步监测到射孔器的井下爆炸。这套监测系统是一台用于地面监测油井油管输送射孔的专用记录装置，该装置适用于投棒式和加压式油管输送射孔。下图是系统示意图及控制件布局图：图 1 油管输送监测系统示意图及控制件布局图它的原理是：在射孔枪尾附加一个尾声信号弹，在射孔器安全引爆后，引燃尾声信号弹的延时药柱，延时 20-30 秒后，尾声信号弹爆炸。如果是投棒射孔，通过加速度传感器接收，打印绘图机输出的油压力传感器加速度传感器射孔监测仪加速度传感器 打印绘图机彩色笔记本计算机磁带记
4、录器耳机软件包压力传感器话筒管、套管振动曲线记录出投棒信号、射孔信号、及尾声信号；若是加压射孔，打印绘图机则绘出四条曲线：油管、套管振动曲线和油管压力曲线套管压力曲线。通过声音监听、井口显示并观察射孔时的压力曲线变化和振动曲线的变化情况，综合判断射孔器是否射孔。2、TCP 监测识别系统陕西应用物理化学研究所研制的 TCP 监测识别系统应用在地面监测井下的射孔爆炸信号，运用频谱分析及其它方法，由识别软件自动判断爆炸并得出判断结论及判断依据。下图是滨 682 井射孔地层测试联作施工时采集的压力延时起爆射孔器的信号。图 2 滨 682 井射孔起爆监测信号TCP 监测识别系统的工作原理是：将传感器吸附
5、在井口的油管或套管上，当井下射孔器爆炸时，其振动波沿管壁传至地面传感器，传感器产生相应的电压信号进入主机，信号处理后进入监测识别软件，由识别软件解析出爆炸信号中的频谱，如波长、频率等，进入分析平台中进行频谱分析并计算，给出分析结果，若分析结果认定为爆炸信号，则自动给出射孔判断及判断依据。这两套监测系统只能判断出射孔器已经起爆，但却不能判断出射孔的发射率，在现场只能帮助施工人员初步判断出射孔器发射，如何解决判断射孔器的发射率呢？如何解决射孔发射率的监测1、提出问题射孔发射率是指射孔器有效穿孔弹数与设计装弹数的比率，在现场射孔作业中，对射孔发射率问题要求非常严格。客户关心的是射孔器发射率，因为它直
6、接关系到油气层的产量，如果发射率达不到要求，那就需要补射或重射。这样，得到射孔器的发射率就显的非常重要了。特别是油气井进入开发后期阶段，开采层位较多，油层的跨度较大。油管输 送射孔具有一次打开所有目的层和立即投入生产等优势，所以在以后的施工任务中会占很大的份额。油管输送射孔技术不仅适用于大跨度多油气层的油井射孔，也应用在水平井射孔、油管输送射孔地层测试联合作业等射孔工艺中，当刚射开油气层时，地层压力较大，不起出射孔器，油气井立即投入生产。当地层压力减小或对油气井进行修井作业时，才将射孔器起出，通过人为的对从井中起出的射孔枪身进行数孔，确定射孔器的发射率。如果射孔器的发射率不足，地层测试获得的地
7、质参数就不准确。而不能及时得到射孔器的发射率，就不能及时指导调整生产任务，这对我们生产带来了一些不良影响。射孔器的发射时间非常短暂，瞬间就可以完成，并且井下的情况非常复杂，这给我们的工作带来了不利因素。这就需要我们对各种情况进行详细的分析，找出问题的核心要素，以求找出解决问题的方法。2、分析问题要对射孔器的发射率问题进行研究，首先要了解射孔所使用的射孔器材的基本性能。现在射孔器使用的射孔器材包括射孔枪、雷管、聚能射孔弹、 导爆索等。射孔器使用的射孔器材的示意图如下图所示：挂接帽 枪头 传爆管 弹架 枪身 枪尾雷管 防爆胶皮 聚能射孔弹 导爆索图 3 射孔器材示意图射孔作业中，射孔枪用来密封装载
8、雷管、聚能射孔弹、导爆索等爆炸器材，使它们在井下不受射孔液压力的影响，实现聚能射孔的目的。它由枪身、 枪头、枪 尾、中间接头及弹架等部分组成雷管或起爆器是用来引爆导爆索、射孔弹的关键部件。常用的导爆索有两种，一种是塑料导爆索，它是用棉纱包缠黑索金炸药，最外 层用聚氯乙烯被服，耐温一般不大于 120 度。另一种是铅皮导爆索。它是用铅管内装黑索金制成，耐温一般大于 170 度。导爆索能以 6000 m/s 以上的速度传爆，并能引爆与它接触的炸 药、射孔弹、切割弹 、传爆管等。铅皮导爆索的爆速可达 7800 m/s 以上。聚能射孔弹被导爆索引爆后，当爆轰波到达聚能罩时，聚能罩金属由于受到剧烈的压缩，
9、迅速向轴线运动，速度可达10003000m/s，结果在轴线上冶金粉末发生高速碰撞挤压；当药型罩全部被压向轴线以后，最后在轴线上形成一股速度高达 60007000 m/s 运动的金属射流。由于在横断面上能量得到高度集中，加之金属射流细长， 长经比很大，所以，具有很 强的穿甲作用，能够顺利穿透枪体、套管、水泥环、和一定深度的地 层。由射孔器材的基本性能可以看出，导爆索的传爆速度和聚能射孔弹的爆轰速度非常快，在瞬间就能完成射孔过程，所以对射孔过程进行监测是非常困难的。接下来，依据常用射孔器材的基本性能，对聚能射孔弹的爆炸过程进行分析。已知聚能射孔弹产生的金属射流可达 60007000 m/s，设为V
10、1=7000m/s；已知导爆索能以 6000 m/s 以上的速度 进行传爆，将其设为V2=6000m/s；已知聚能射孔弹到射孔枪身的距离大约为 =1cm 左右h已知每两发聚能射孔弹之间的距离约为 5cm，设其间距 =5cml如图所示：高速金属射流 枪身 弹架 h 聚能射孔弹 导爆索 图 4 聚能射孔弹爆炸示意图将射孔弹穿透射孔枪身认为聚能射孔弹爆炸完成，那么聚能射孔弹爆炸所用时间：sVht4.11每两发聚能射孔弹爆炸的间隔时间为：slt3.82聚能射孔弹爆炸可产生地震波，由于聚能射孔弹是在套管中爆炸的，产生的地震波沿套管方向的传播速度最快，迅速的直接传播到井口。参照地震波动理论波形，假定聚能射
11、孔弹爆炸产生的波形如下图所示：第 n 发射孔弹爆炸地震波曲线第 n+1 发射孔弹爆炸地震波曲线合成波形8.3 s图 5 聚能射孔弹爆炸的理想波形像上图中的理想合成波形是很难得到的，它不仅要求没有干扰，更难的是它要求采样率非常高。对射孔弹爆炸产生的波形来言，只要检测到首波即可认为爆炸完成，但聚能射孔弹完成爆炸的时间只有1.4 s，每两 发聚能射孔弹爆炸的间隔时间只有 8.3 s，而目前地震检波器的采样间隔最小只能达到 250 s，声波测井仪的最小采样间隔最小可达到 1 s，但它是自己激发自己接收的，不适用于检测地震波，但即使是 1的采样间隔相对来说也是很大的。只有当制造工艺达到一定的水平或出现新
12、的测试方法时，才能采集到每发聚能射孔弹爆炸的波形，那所面临的射孔器发射率问题就可迎刃而解了。但目前是不现实的，因 为这不是短时间内能够解决的，所以只能采用其他的一些方法间接的对射孔枪的发射率进行检测。三、解决问题的设想方案针对这套监测系统的缺点，在此提出新的看法。采集并输出射孔器发射的地震波波形曲线，其形状大致如下图所示：图 6 滨 682 井采集的放大的地震波形曲线现在分析一下采集的射孔枪发射的地震波波形曲线，为了分析的方便，为波形曲线加上时间幅度坐标。T1 T2 T图 7 时间幅度坐标曲线取波形曲线前后的两个拐点对应的时间为 T1、T2，那两拐点之间的时差为：12T即是射孔枪发射的总的延续
13、时间。T分析地震波波形曲线的影响因素，射孔层段的深度对波形幅度的影响，主要是地震波在传播的过程中有微弱的衰减变化，但由于地震波在套管中的传播速度在 7000 m/s 以上，并且在井口接收的是直达波，衰减影响太小，可以忽略不计。射孔 层段的深度对接收时间有影响，射孔层段越深接收的时间越晚，射孔层段的深度与接收时间应该是线性关系，那么 T1、T2 受到射孔层段的深度的直接影响，但数 值变化的幅度是一样的，故延续时间是不变的，它与射孔层段的深度没有关系。这就得出这样的结论：射孔层段的深度对地震波波形曲线形状没有影响。同样，套管、射孔液等对地震波波形曲线的影响微乎其微，也可忽略不计。那么影响地震波波形
14、曲线的因素只有射孔器材。每发聚能射孔弹的药量是一定的，发射的聚能射孔弹数越多，需要的导爆索就越长，那爆炸延续的时间就越长。从理论上讲，爆炸延续的时间应该等于最后一发炮弹爆炸的时刻减去第一发炮弹爆炸的时刻，即最后一发炮弹到第一发炮弹之间导爆索的引爆时间，它可以通过最后一发炮弹到第一发炮弹之间导爆索的总长除以导爆索的传爆速度得到。也可以用炮弹的个数与每两发炮弹间的延迟时间相乘得到。即： 2VLtnT理论上的爆炸延续时间安装的炮弹个数n每两发炮弹间的延迟时间2t前后两发炮弹之间导爆索的总长L导爆索的传爆速度 2V也即是说地震波波形曲线的延续时间与导爆索的传爆速度和导爆索的长度有关，反映了前后两发炮弹
15、爆炸情况。地震波波形曲线的幅度与聚能射孔弹的发射个数和发射密度有关，一般情况下，聚能射孔弹的发射密度是固定不变的。影响地震波波形曲线幅度的只有聚能射孔弹的发射个数。按理想状态的波形曲线认为，当所有的聚能射孔弹都发射后，应该得到较平稳的波形曲线，但实际情况当然不是这样的。实际采集到的波形曲线既不平稳，波形曲线的延续时间也出现变化，对于这两个量，引入一个新的量，称之 为发射能量，设为 SfTfST21地震波波形曲线的平均幅度fS 与发射的个数关系密切，可以反映聚能射孔弹发射后的爆炸情况。S 理= fTS 理 是理 论计算值理论上的爆炸延续时间T理论波形曲线幅度f聚能射孔弹发射后采集的地震波波形曲线计算的发射能量 S与理论计算的发射能量 S 理的比值，即使所求得发射率。发射率=S/S 理这个数值是否与实际的射孔枪发射率相符，还需要通过大量的实践检验， 给出修正方案，使之能够真正利用到现实的实际工作中去。以上所论是井下爆炸监测的理论推导，因为这方面的研究几乎是一片空白。因此我诚恳的希望各位领导专家给出科学合理的建议，将这套理论更加完善以期早日引用到现场的施工之中。参考文献1、测井学 北京石油出版社出版2、地震波动力学 江汉石油学院出版社出版
