1、 第六章 射 孔射孔是利用高能炸药爆炸形成射流束射穿油气井的套管、水泥环和部分地层，建立油气层和井筒之间的油气流通道的工艺。射孔是完井工艺的重要组成部分，它对油气井的完井方式、产能、寿命和开发生产成本等都有重大的影响。从 1932 年开始在油气田的勘探开发中应用射孔工艺以来，射孔弹由最初的子弹式发展成为目前广泛使用的聚能弹。射孔弹分为深穿透型和大孔径型两种，能满足高温、中温、低温地层的完井射孔需要。射孔方式分为电缆射孔、油管输送射孔和过油管射孔。海上油气田开发费用昂贵，根据不同地层物性条件选择合理的射孔工艺和优化射孔参数（孔径、孔密、相位、孔深） ，对增加产能和减少修井补射孔作业，提高油气田开
2、发生产效益有重大的影响。第一节 射孔方式和选择一、射孔方式1电缆射孔电缆射孔是在下入完井生产管柱前，用电缆下入套管射孔枪，利用油气层顶部的套管短节进行射孔深度定位，电雷管引爆射孔枪。在井筒液柱压力高于地层压力的条件下射开生产油气层。电缆射孔枪有开孔枪和高效枪及高孔密枪等。开孔枪简称 PPG（Pore Plug Gun） ，高效枪简称 HEG（ High Efficiency Gun） 。PPG 和 HEG 的射孔相位均为 90，最大射孔孔密为13 孔m。高孔密枪简称 HSD（High Shot Donsity）的射孔相位有 120、90、60、45、30，最大射孔孔密为 39 孔m 。射孔弹有
3、深穿透（DP）和大孔径（BH）两种。（1）电缆射孔优缺点1）优点。射孔枪和射孔弹的种类多，能使用大直径射孔枪和大药量射孔弹，满足高孔密、深穿透、大孔径的射孔要求。射孔定位快速、准确。电雷管引爆可靠性强。作业简便快捷，能连续进行多层射孔。2）缺点。正压射孔，对地层造成污染损害，影响产能。在地层压力掌握不准时，射孔后易发生井喷，为防井喷必须安装防喷器和防喷管。受电缆输送能力和防喷管长度的限制，每次下枪长度只能在 10m 左右，厚度大，油气层的射孔作业时间长，在大斜度井、水平井和高密度泥浆中的应用也受限制。容易受电火花、强烈震击等外界因素的干扰而发生爆炸。（2）电缆射孔选择射孔枪和射孔弹的因素l）完
4、井套管内径；2）地层温度和压力；3）深穿透或大孔径射孔要求；4）射孔相位和孔密要求；5）射孔工艺特性要求。电缆射孔枪串由枪身、点火头、CCL，校深仪和电缆接头组成，如图 6-1-1 所示。电缆接头有三种作用，一是连接枪串和电缆；二是作为电缆弱点，当电缆射孔枪遇卡时从电缆接头拉断，取出电缆；三是作为打捞头。2油管输送射孔油管输送射孔简称 TCP（Tubing Conveyed Perforation） ，是用油管输送射孔枪到射孔层位进行射孔，是 70 年代发展起来的一种射孔方法。油管输送射孔有棒击引爆、油管内加压延时引爆、环空加压引爆、电雷管引爆和钢丝作业震击引爆等引爆方式。油管输送射孔枪串一般
5、由枪身、无弹枪段、引爆点火头、防污染接头、释放枪装置、封隔器等组成。油管输送射孔有如下特点：1）输送能力强，一次可射孔数百米。2）能使用大直径射孔枪、大药量射孔弹，能满足高孔密、多相位、深穿透、大孔径的射孔要求。3）能根据油气层岩性特点设计负压值，消除射孔对地层的损害，提高油气井产能。4）能充分做好地面防喷准备，安装好井口设备后才引爆射孔枪，保证作业安全，尤其适用于高压油气井。5）射孔后可把射孔枪释放到井底，满足立即进行生产和生产测井的要求。6）能在大斜度井和水平井中进行射孔。其缺点是如果一次点火引爆不成功，返工作业时间长；再者要求使用耐温较高的射孔炸药。3过油管射孔过油管射孔是在下完生产管柱
6、，安装好井口采油树及生产系统，坐封好封隔器，在井口采油树上安装防喷管和电缆密封装置，用电缆从油管内下入射孔枪对油气层进行射孔。过油管射孔枪串由枪身、引爆点火头、接箍定位仪和电缆接头组成，如图 6-1-2 所示。过油管射孔的定位同电缆射孔一样，以射孔段顶部的套管短节作为射孔定位参照点，完井管柱的底端必须在射孔段顶部短套管上方。过油管射孔由于受完井油管内径和井下工具尺寸的限制，只能用小直径射孔枪和小药量射孔弹。过油管射孔有如下优缺点：1）能形成负压或平衡压力射孔，对油气层损害小。2）射孔作业安全，适用于高压油气井。3）射孔后能马上进行生产。缺点：1）射孔枪和射孔弹尺寸受油管内径限制，穿透深度浅，对
7、油气井的产量有一定影响。2）射孔枪和套管之间间隙大，影响射孔穿透深度和孔径。3）每次下枪的长度受防喷管长度限制。4）枪变形后难于回收。过油管射孔枪有带枪筒和无枪筒两种。带枪筒的可把射孔残渣全部回收，对地层和井筒无污染。无枪筒的射孔残渣全部落在井筒内。过油管射孔用电缆输送射孔枪只能在井斜 50以内进行，在井斜 5070的井，只能用连续油管输送过油管射孔枪。过油管扩展枪射孔与过油管射孔的条件和方法均相同，不同之处是过油管扩展枪在下井过程中，射孔弹处于垂直状态，当扩展枪下到射孔层位后，经地面控制使射弹由垂直状态变换成水平状态，图 6-1-3 所示。扩展枪由下井过程的小直径枪变成大直径枪。扩展枪比相同
8、的过油管枪具有穿透更深和孔径更大的优点。最小管柱内径 45.3mm射孔弹类型 DP弹药类型 RDX弹重 22g穿透深度 678mm表 6-1-1 列出四种射孔方法比较表。表 6-1-1 射孔方法对比表射孔方法 电缆射孔 过油管射孔 油管输送射孔 过油管扩展射孔枪直径， mm 73177.8 3554 73177.8 42.0射孔弹型 深穿透和大孔径 深穿透 深穿透和大孔径 深穿透弹药重，g 1566 1.817 1566 22孔密，孔m 1339 1319 1346 13孔深， mm 400800 146615 400800 678孔径， mm 7.131.3 5.414.5 7.131.3相
9、位， 120、90、60、45、30180、90、60、0120、90、72、60、51.4 、45、30、20180负压范围 不能负压 可控或等压 按负压要求 可控或等压适应井筒 14.3245mm 套管，直井，50以内斜井油管60.3mm，单独套管245mm，直井，50以内斜井114.3245mm 套管，直井、斜井、水平井60.3114.3mm 油管，直井，50以内斜井应用范围 普通井 生产井、补孔 普通井、高压油气井、防砂井、低渗井、困难井生产井、补孔射孔效果 射孔污染影响产能 孔径孔深小或部分污染影响产能能冲洗孔眼产能高 孔径小或部分污染影响产能注：目前孔密和孔深有更新的数据。二、射孔
10、工艺选择射孔工艺有正压射孔和负压射孔二种，各有其不同特点，现场视不同的井筒条件、地层条件及完井工艺要求选择不同的射孔工艺。正压射孔及负压射孔的孔道污染和清洗状态如图 6-1-4 所示。1正压射孔工艺井筒内完井液液柱压力高于地层压力的条件下射开油气层称正压射孔。可使用大直径和高孔密的射孔枪，达到深穿透、大孔径和高孔密的射孔效果。但由于井筒液柱压力高于地层压力，可能造成射孔液侵入地层，射孔碎屑残留在射孔孔道内，孔道周围的压实层无法清除，正压射孔孔道其压实层厚度可达 13mm，增大井筒周围油气的流动阻力。2负压射孔工艺负压射孔是井筒完井液液柱压力低于地层压力的条件下射开油气层。负压射孔既可消除射孔液
11、侵入地层，又可把射孔孔道内的碎屑和孔道周围的压实层清除干净，在井筒周围建立清洁畅通的油气流动通道。（1）负压射孔方法负压射孔的方法有油管输送负压射孔和过油管负压射孔。油管输送负压射孔是在完井作业前（如防砂作业）先下入负压射孔管柱进行射孔，或在完井管柱底部安装射孔枪一起下井射孔。过油管射孔是下完管柱并安装好井口设备，把管柱内替成负压射孔液柱（即液柱压力低于地层压力） ，然后过油管射孔；第一枪射孔后，管柱内的压力等于地层压力，第二枪开始，要在井口先放喷井液降低井内压力到设计压力值，然后引爆射孔枪才能达到负压射孔的效果。若关闭井口继续射孔，是等压射孔状态。完井管柱内成负压射孔液柱的方法一般有两种，一
12、种是钢丝作业打开井下滑套，从油管替入轻密度的射孔液，再关闭井下滑套。另一种是从油管内下入连续油管，替入轻密度的射孔液。如果是使用永久封隔器悬挂射孔枪，也可以在密封总成插入时先替入负压射孔液。对于直井和小斜度井，可用过油管负压射孔。而对水平井和大斜度井，必须应用油管输送负压射孔。（2）射孔负压值的确定砂岩油气层大体上可分为致密地层和非致密地层两类，致密地层射孔后一般不出砂，可用大的负压值；而非致密地层射孔后易出砂，必须选用合理的负压值，射孔时既能把射孔碎屑及压实层清除干净，又不会破坏地层结构。下面仅介绍 VANN 公司推荐的确定最小负压值和最大负压值的方法，此方法比较简单。1）确定最小负压值。致
13、密地层和非致密地层最小负压值(用 pmin 表示) 一般可用下式来计算；油层：气层：p压力，MPa K地层渗透率，10 一 3m 2。2）确定最大负压值。如果知道地层的抗压强度，可用下式计算：最大负压值实际地层压力一最小孔隙压力地层压力一（上覆地层压力一 1.7地层抗压强度）上覆地层压力可用 0.01360.0226MPam （061psi/ft ）计算，如果不知道地层的静压梯度，可取 0.018MPam （0.8psi/ft）进行计算。如果不知道地层的抗压强度，致密地层的最大负压值一般取新套管抗压强度的80（旧套管取 50）或下井工具工作压力的 80。非致密地层的最大负压值（用 pmin 表
14、示）一般可用下列公式计算：声波时差法（ T）：油层 pmin（3600 一 20 T）6.8910 一 3气层 pmin（4750 一 25 T）6.8910 一 3体积密度法（RHO）：油层 pmin6.89（2.34RHO 一 4）气层 pmin6.89（2.9RHO 一 4）也可用图 6-1-5 和图 6-1-6 直接用 T 和 RHO 的数值对应查出最大负压值。 T 及 RHO 可分别由声波测井曲线及补偿密度测井曲线获得。3）最佳负压值。确定最大负压值和最小负压值之后，求出这两者的中点值，射孔最佳负压值要根据油气田的地层岩性特点、钻井过程泥浆污染轻重和实践经验来确定。对非致密地层应在最
15、小负压值和中点值之间选取，对致密地层应在中点值和最大值之间选取。钻井泥浆污染严重的油气井，负压值应适当取大些，反之应适当取小些。尤其应根据最初 23 口井实践的负压值、产能和出砂情况，再具体分析研究确定最合理的负压值。第二节 射孔参数选择一、射孔弹药的分类和性能指标射孔弹药包括射孔弹、导爆索、传爆管和雷管。射孔弹药分为一类炸药和二类炸药。一类炸药：包括电雷管、撞击式雷管、传爆管等。二类炸药：包括射孔弹、导爆索、切割弹等。一类炸药的灵敏度很高，极易启爆，电雷管只需很小电流就能启爆，撞击式雷管在较小撞击力作用下就能启爆。二类炸药的灵敏度和危险性低于一类炸药，但射孔弹和导爆索的用量大，爆炸威力强大。
16、射孔弹药都应防火、防高温、防碰撞、防雷电、防静电和防潮湿。射孔弹药按耐温等级目前一般分为常温炸药黑索金 RDX、高温炸药奥克托金 HMX 和超高温炸药二硝基毗陡 PYX 等三种。RDX 、HMX 和 PYX 炸药的性能指标参考表 6-2-1，炸药的工作温度和工作时间变化成线性关系，如图 6-2-1 所示，各种弹药的工作温度及工作时间各生产厂家都有具体规定，选用时必须注意。表 6-2-1 射孔炸药性能名称性能RDX HMX PYX HNSII化学分子式克分子量颜色密度，g/cm 3熔点，生成能量，J/g爆炸压力，MPa爆炸速度，m/sC3 H6 N6 O6222.1白色18.402051423.
17、434766.98750C4 H8 N8 O12296.2白色19.032851434.3239362.69110C17 H6 N6 O12621.3黄色17.484601032.924480.27200C14 H6 N6 O12450.1黄色17.383161019.3199817000传爆管的一端装满炸药，另一端是空管。传爆管有高灵敏和普通型两种，高灵敏传爆管的管内有两种炸药，普通传爆管的管内只有一种炸药。导爆索也分为 RDX、HMX 和PYX 等三种。RDX 导爆索有8.504g/m（40 谷ft） 、17. 008gm（80 谷ft） ，HMX 导爆索为17.0089m（80 谷ft）
18、 ，而 PYX 导爆索为 21.26gm（100 谷ft） 。传爆管和导爆索、射孔弹的相容配套使用如表6-2-2 所示。二、射孔弹的结构聚能式射孔弹的结构由外壳、炸药、起爆炸药和锥形衬套四部分组成。射孔弹分为深穿透射孔弹和大孔径射孔弹两种，大孔径射孔弹主要用于防砂射孔完井。如图 6-2-2 所示。表 6-2-2 传爆管和导爆索及射孔弹的相容配套传爆管 导爆索 射孔弹C-63 (Lead Azide+RDX)C-63 (Lead Azide+RDX)C-63 (Lead Azide+RDX)C-80 (Lead Azide+HNS)C-80 (Lead Azide+HNS)C-80 (Lead
19、Azide+HNS)HMX or DPYX Bi-directionalHMX or DPYX Bi-directionalHMX or DPYX Bi-directionalRDXHMXPYXRDXHMXPYXRDXHMXPYXRDXRDXRDXRDXRDXRDXRDXRDXRDX射孔弹外壳通常由锌、铝和低碳钢等材料制成，外壳的强度为炸药爆炸的能量形成聚能射流束提供保障。炸药则是根据射孔弹的工作温度要求选用 RDX、HMX 和 PYX 等类型的炸药。起爆炸药是同炸药相同温度类型的炸药，但起爆炸药的灵敏度比炸药更高，使传爆索燃烧时易于引爆起爆药，从而引爆射孔弹。锥形衬套由粉沫金属的混合物挤压制
20、成，常用的粉沫金属有铜、钨、锡、锌和铅等。粉沫金属的混合物既能保证有足够大的密度形成射流束，又能形成射流束顶端和未端之间的射流速度差。粉沫金属制成的锥形衬套，射孔后没有衬套残渣堵塞孔道。最早用固体金属制成锥形衬套，射孔后造成衬套残渣堵塞孔道。锥形衬套的作用是在炸药爆炸后形成射流束，炸药爆炸产生的能量推动射流束以高压和高速的喷流穿透套管、水泥环和地层。射孔形成孔道的形态和质量由锥形衬套的材质和结构决定。衬套的材质决定其形成射流束的集束一致性和射孔后残渣的损害。材质既要求有足够大的密度形成集束射流，又要尽量消除射孔后的残余污染。射孔弹的引爆射孔过程如图 6-2-3 所示。当引爆射孔枪时，导爆索以7
21、000ms 的速度和 15109 20109MPa的压力燃烧传爆，而导爆索的传爆使射孔弹的起爆药被引爆，同时引爆射孔弹的炸药。射孔弹炸药爆炸产生 8000ms 和30109MPa 的冲击力，此冲击力作用于园锥形衬套并将其沿轴线方向往外推，由于射孔弹的炸药和衬套都是轴向对称的锥形结构，园锥衬套受爆炸力的对称推压形成轴向射流束（图 6-2-3） 。由于爆炸力的对称冲击，在园锥衬套顶端附近的轴向射流束上形成冲击力的汇集点，汇集点的压力剧增到 100109MPa以上，而形成超高压的汇集点把衬套射流束分为两部分，一部分是高速向前移动的射流束束尖，另一部分是低速移动的射流束束尾，射流束的束尖约 7000m
22、s 的速度，而束尾的只有约 500ms 的速度。由于射流束前端和未端的速度差，使射孔弹园锥衬套被拉伸成细长的射流束。射流束在炸药爆炸力汇集形成超高压的作用下，以 7000ms 的高速和100109MPa 的冲击力穿透套管、水泥环和地层，形成射孔孔道。三、射孔枪的类型1射孔枪类型射孔枪按输送方式分为电缆射孔枪和油管输送射孔枪两大类型。按射孔方式可分为电缆套管射孔枪，过油管射孔枪、油管输送射孔枪。表 6-2-3 和表 6-2-4 分别为斯伦贝谢公司射孔枪的规格和部分射孔枪的试验数据。2射孔枪不同孔密和相位的布孔结构图 6-2-4 仅为射孔枪的孔密与相位布孔结构示意图，有各种各样不同的孔密与相位布孔
23、结构，例如 73mm 枪 19 孔m（6 孔ft ）和 60相位， 114.3mm 枪 39 孔m（12 孔ft ）和 45相位，127mm 枪 39 孔m 和 30、45相位， 177.8mm 枪 39 孔m 和45、 72相位及 46 孔m 和 20相位等，可根据需要向有关厂家选购。3射孔枪入井长度的限制电缆射孔和过油管射孔作业中，电缆携带射孔枪下井的能力如表 6-2-5 所示。电缆弱点接头的拉力强度应大于或等于射孔枪在空气中重量的三倍。电缆套管射孔枪、过油管射孔枪和油管输送射孔枪，下入射孔枪的长度同射孔枪与套管或油管之间的间隙和井筒的狗腿度的制约关系如表 6-2-6 所示。前二者还受防喷管长度的限制。表 6-2-3 各类枪的规格射孔枪类型 枪直径,，mm 孔密，孔m 相位，电缆套管射孔枪72、79.4、85.7、101.6、114.3、120.6、127、152.4、177.813、16、1939、46120、90、60135/45、140/20过油管射孔枪34.9、42.9、54、72、85.7 13.19 0、180、90(45) 、60油管输送射孔枪72、85.7、101.6、120.6127、152.4、177.813、19、2639、46120、90、72、6051.4、30、135/45、140/120
