吳志勇，韓宗正，丁  曉，尹劍峰，孟  雪，白雪姣

（中國石油遼河油田公司，遼寧 盤錦  124010）

摘  要：針對油氣井特種爆破技術在某些井況中不能滿足生產需求的實際以及機械防砂、化學防砂等常用防砂技術的不足，研制開發出同時具備射孔和防砂兩個功能的復合射孔防砂技術。該技術的核心是射孔防砂裝置結構的設計，該裝置將射孔彈、防砂材料、助推火藥以一定結構組合而成。在復合射孔防砂技術推廣的過程中，圍繞其安全性研發出一系列射孔防砂配套技術。經過幾年來的現場應用，表明復合射孔防砂技術設計合理效果顯著，是特種爆破技術在油氣田開發領域應用的典型示范技術。

關鍵詞：特種爆破；復合射孔防砂；裝置；配套技術

0  引  言

油氣井特種爆破技術是隨著我國石油行業興起而發展起來的一種爆破技術，通過將火炸藥與油田特種作業緊密結合，達到在油氣井內特定的環境中對原油或天然氣開采和增產的目的。常規的油氣井特種爆破技術，主要解決的是打開地層和井筒連接以及井下工程事故等問題，具體體現為射孔作業、爆炸松扣作業、高能氣體燃燒壓裂作業、油井清潔解堵和套管補貼等作業。而針對遼河油田油層埋藏淺、成巖作用差、地層膠結疏松、油井出砂普遍的現象，僅僅完成打開油氣通道這一功能，已不能滿足某些井況的生產需求。特別對于壓裂防砂技術、機械防砂技術、化學防砂技術等常用的防砂技術皆存在一定不足的現狀，如機械防砂不僅不適應于細粉砂地層和高壓地層，而且還存在施工復雜、內通徑小、影響油井產能等問題，而化學防砂則存在傷害地層、成功率低、有效期短、成本高等問題，一種同時滿足射孔和防砂需求的技術應運而生。自1999年在錦607井進行了首次現場試驗以來，經過不斷完善，已形成5種槍型，高、中、低3種參數的系列化防砂產品，能夠適用于不同油藏狀況^[10]。復合射孔防砂技術已在多種油藏領域應用，不僅簡化了作業程序，還避免了對地層的二次傷害，施工簡單、節省資金，是對傳統防砂思想的重大突破，是出砂油田高效開發的一條新途徑。該技術屬國際首創，構思巧妙；技術難度大，科技含量高；防砂生產效果好。特別是對于稠油油藏，復合射孔防砂技術解決了因巖心強度低，膠結松散，射孔形成大孔洞后，防砂材料不能充填至炮眼前部以及施工后出現防砂有效期短或防砂效果不理想等問題。目前，復合射孔防砂技術的研究，已取得良好的應用效果。

1  防砂工藝技術

1.1 壓裂防砂技術

壓裂防砂技術是采用壓裂手段將支撐劑擠入地層虧空帶，在地層形成一定厚度且具有一定強度和滲透率的人工砂橋。同時地層砂的受力狀態也發生了改變，由徑向受力改為垂直裂縫方向和沿裂縫方向受力；受力狀態發生了變化，滲流條件得到改善，油流的攜砂能力降低，油井出砂變少，油井產能提高。

1.2 機械防砂技術

機械防砂技術分為篩管防砂技術和礫石充填防砂技術。篩管防砂技術是在下入各類防砂管柱后，通過管柱上的濾砂網阻擋地層砂進入井筒，從而達到防砂的目的。目前常用的篩管防砂技術有割縫篩管防砂技術、彈性篩管防砂技術、濾網篩管防砂技術、梯縫篩管防砂技術。礫石充填防砂技術是通過充填工具在篩管和井眼所組成的環形空間中充填特定礫石來阻擋地層砂進入井筒。

1.3 化學防砂技術

化學防砂技術分為固砂技術和人工井壁防砂技術。固砂技術是通過向地層內注入固砂劑，使地層中游離的砂膠結的更好，從而提高地層砂膠結強度，減少地層砂進入井筒，達到防砂的效果；人工井壁防砂技術是將防砂材料泵送到炮眼附近虧空帶，充填、堆積、壓實后，在地層溫度、水以及固化劑的作用下膠結固化成一體，成為人工井壁。人工井壁具有很高的強度，能阻止虧空地帶進一步垮塌，從而實現防砂的目的。

1.4 排砂技術

排砂技術是以攜砂采油為思路，通過將近井地帶游離出的細粉砂排出后填入膠結砂的方式，實現油層深部防砂。目前常用的排砂技術有水力噴射泵強制排砂技術、地層深部防砂技術、浮環泵技術、長柱塞耐砂泵技術。

2  復合射孔防砂技術

油氣田開發是一項復雜的系統工程，涉及許多科學領域，其中包括試油、防砂、軍事破甲。經過國內外調研、室內實驗、現場試驗，研制出具有射孔和防砂兩種功能的復合射孔防砂技術，實現了一次作業同時完成射孔和防砂，屬于油井防砂技術的一項重要突破。該技術在研究了不同領域的理論知識后，建立了適用于該技術的理論模型，并設計出內含小長徑比大孔徑射孔彈及防砂前倉的防砂射孔槍。經過多次室內實驗，確立了防砂材料的材質及前倉位置結構，助推火藥的位置及配比關系，最終確立了防砂射孔槍的整體結構。在現場應用的過程中，針對不同區塊的地質情況，通過室內實驗和現場應用的不斷完善，逐漸形成了3種技術參數、5種型號的系列產品，很好地解決了遼河油區內大多數油井的防砂問題。

2.1 復合射孔防砂技術原理

當射孔彈起爆后，形成了高溫高壓的金屬射流^[1]。一方面該金屬射流以極高的速度穿過套管、水泥環在油層中形成不規則的孔道；另一方面由于該金屬射流極高的速度，在其所經途徑周圍形成一個負壓區，同時爆轟波引燃助推火藥，使前倉內壓力急劇升高，將防砂材料從前倉的孔眼中推出，在助推火藥的“推” “ 拉”作用下相互交錯、勾結，以團狀、絮狀固定在地層孔道中，形成防砂遮擋層，完成射孔以及防砂作業，對井筒不產生任何影響（見圖1）。

1-套管；2-水泥環；3-地層；4-防砂塞

圖1  防砂材料充填分布

2.2 參數設計

根據油井射孔技術與防砂技術的需求，設計復合射孔防砂技術的指標有：射孔彈及助推火藥發射率95%以上；射孔孔道孔眼直徑Φ18～22 mm；射孔孔道孔眼長度350 mm以上；充填防砂材料后孔眼滲透率大于47000×10^-3 μm²；防砂粒徑大于0.1 mm。

2.3 射孔防砂裝置

復合射孔防砂裝置是復合射孔防砂技術的關鍵部分，由于裝置內空間有限，而射孔彈影響著射孔孔道的穿深，前倉影響著防砂材料的裝填量，因此射孔彈及前倉空間的分配影響著該技術的效果。同時，能否成功將由助推火藥燃燒形成的氣流攜帶的防砂材料，牢固的固定在射孔后地層中形成的射孔孔道，是復合射孔防砂技術成敗的重要一環。這需要通過對防砂材料、支撐劑以及助推火藥的配比來完成。且應保證在施工完成后，防砂材料在射孔孔道中的分布沒有堆積和間斷。本裝置可以根據不同地層的地質情況設計防砂材料的充填量、密度、強度和位置等。

（1）理論計算

根據聚能破甲彈理論和射孔彈射流的形成及射流對靶的侵徹過程遵循的規律公式，導出射流形成過程參數計算的基本方程組（見圖2）。

圖2  射流形成的定常流動模型

1）聚能射流過程。基本公式^[11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式（6～9）中，r₁，r₀為藥型罩內、外表面到罩軸線的垂直距離，cm；R₁，R₀為射孔彈裝藥內、外表面到罩軸線的垂直距離，cm；P為爆轟壓強，9.8×10⁴ Pa；t為時間，μs；V₀為金屬射流微元的初始速度，cm/μs；V_J為射流速度，cm/μs；N、A、μ為均為無量綱變量；E為哥尼能，mm²/μs²；m為藥型罩質量，kg；m_l 、m_c為藥型罩法線方向單位面積上對應的藥型罩質量和裝藥質量，kg/cm²；m_j為金屬射流質量，kg；β為藥型罩母線與射孔彈軸線間的夾角；U_p為射流侵徹速度，mm/μs；τ為特征時間，μs。

式（1）～式（9）為射流的基本方程組，將其聯立可求得射流形成過程中各主要參數。

2）目標靶侵徹過程。基本公式^[11]：

(10)

(11)

(12)

(13)

式（10～11）中，U_p為射流侵徹速度，mm/μs；V_J為射流速度，cm/μs；V_jc為射流臨界速度mm/μs；V_jo為射流初始速度，mm/μs；t為時間，μs；t₀為射流形成時間，μs；H為穿深，mm；H₀為初始距離，mm；b為修正常數；C為目標靶與射流密度比。

3）防砂材料充填過程。防砂材料推進動力是裝藥的爆轟產物，火藥燃燒基本公式^[11]：

(14)

式中，U為燃速，cm/s；U₁為燃速系數；N為燃速壓力指數；P_c為燃燒室壓力，kg/cm²。

防砂材料充填過程的物理模型如圖3所示。

V_d牽連速度;V_r相對速度;V射流速度

圖3  防砂材料壓垮充填過程

射孔彈起爆后，首先通過復合射孔彈中心的金屬射流，其頭部速度為6000～10000 m/s。后面跟著的是速度較低的射流、杵體、以及爆轟產物。因此形成牽連速度V_d。

射孔彈裝藥在推動金屬射流的同時，點燃內部推進劑，產生大量高能氣體，推動防砂材料向中心運動，形成相對速度V_r。

防砂材料對射孔孔道的充填情況取決于V_d、V_r。實際上V_d已由射孔彈裝藥量所限制，因此只能調整V_r，以適應工藝要求。

4）計算結果。將方程組代入SGJP程序進行計算，計算可得出如下結果：

射流的頭部速度6800 m/s；在抗壓強度為40 MPa的水泥靶上，射流的臨界速度1050 m/s；防砂材料到達前倉底部的時間應為50~100 μs。

根據以上計算結果及相關室內實驗結果，可以對大孔徑射孔彈的幾何形狀，防砂材料、用量、形狀等進行具體設計，從而形成復合射孔防砂槍整體結構。

（2）小長徑比大孔徑射孔彈的研制

為了提高防砂材料在地層的充填量，一方面需要加大射孔孔徑，另一方面需要增加前倉中防砂材料及助推火藥的用量，這就必然要增加射孔彈的口徑減少射孔彈的長度^[2]，經過大量實驗最終確立小長徑比大孔徑射孔彈的指標（見表1）。

表1  小長徑比大孔徑防砂射孔彈與普通射孔彈性能比較

（3）防砂材料的選擇

考慮到防砂材料長期存在于射孔孔道，應該具備耐腐蝕、耐高溫、支撐強度高、濾砂性能好、滲透率高的特點，因此選用了不銹鋼絲作為防砂材料的主體。為了增加防砂材料的強度，在不銹鋼絲表面鍍上了一定厚度的焊料，這樣在火藥燃燒產生的高溫作用下，不銹鋼絲能大量粘結在一起成為一個整體。此外不銹鋼絲的形狀也是重要的一個方面，為了保證充填量，前倉必須貯存大量的不銹鋼絲，因此選擇將不銹鋼絲加工為小球狀，在從前倉噴出至射孔孔道的過程中也容易相互勾聯成網狀，起到過流濾砂的作用。

（4）支撐劑的選擇

支撐劑是為了提高進入射孔孔道中防砂材料的滲透率而添加的金屬或非金屬固體顆粒，起到了支撐的作用。由于在井下長期處于含有350℃高溫蒸汽和pH值2～11的不同酸堿工作介質的環境中，支撐劑需要具備耐腐蝕的特點。同時，還應該能夠輔助防砂材料互相連結。經過多次實驗篩選最終確定多棱白鋼塊作為支撐劑，在火藥將支撐劑與防砂材料的混合物從前倉推至射孔孔道的過程中，支撐劑與防砂材料均以很高的速度運動，并且穿插勾聯形成強度較大的防砂塞，防砂效果好。

（5）助推火藥的選擇

復合射孔防砂槍中的助推火藥需要滿足易于點火和迅速燃燒兩個條件，因此選擇多氣孔發射藥作為助推火藥^[3]。因為多氣孔發射藥內部有大量均勻的小細孔且結構疏松，能燃燒迅速并在短時間放出大量氣體，使前倉內壓力升高，有利于提高防砂材料的充填量。

（6）防砂材料、助推火藥用量與地層壓力變化

隨著油井深度的增加，地層壓力逐步提高，射孔孔道的深度和容積也發生變化，相應的防砂材料、助推火藥的用量也要隨之發生變化。根據室內實驗結果得出，隨著壓力的增加，射孔孔道的容積變小，助推火藥對防砂材料的推進力降低，將相同數量的防砂材料推入射孔孔道中需要的時間變長，因此隨著井深的增加可以減少防砂材料的用量，適當增加助推火藥的用量和燃燒時間^[4]（見圖4～圖5）。

2.4 中間試驗

通過模擬類似射孔彈井下的環境，制作出一種地面試驗裝置，來模擬射孔裝置實際工作過程，最終達到檢驗復合射孔防砂技術充填效果的目的。中間試驗分為單發槍地面靶試驗和整槍地面靶試驗。

（1）單發彈地面靶試驗

單彈試驗的目的，就是要制造類似射孔裝置這樣一個封閉的體系，讓射孔防砂彈在這樣的環境中作業，模擬射孔裝置內實際過程。

在射孔彈爆炸的瞬間，裝置內的壓力和溫度驟然升高，在這個封閉體系的空間內的壓力、溫度的變化將直接影響火藥的點燃和防砂材料的推進速度。隨后是射孔彈的射孔作業，炸藥壓垮藥型罩，形成金屬射流，穿過裝置外壁、套管及水泥環，在地層中打出孔道。這一過程中，射孔彈打出的孔是唯一的泄壓通道。金屬射流，炸藥爆轟產物以及防砂材料都要經過這個孔道向外噴射，裝置內壓力逐漸降低，最后與外界壓力平衡。

根據現場實際情況，Φ177.8 mm套管，Φ127 mm射孔裝置，內徑Φ107 mm,裝彈密度10發/m，計算出每發射孔防砂彈所占的空間體積為898×10³ mm³。設計出內徑為Φ80 mm，高度18 mm，空間體積為904×10³ mm³的單發槍模擬裝置結構，如圖6。

經過300余次射孔防砂彈單發模擬試驗，確定了射孔彈和前倉結構參數，防砂材料及推進火藥類型，防砂材料定位狀態以及總體裝配結構形式，最終達到能夠滿足現場應用要求的技術指標如下：

a  復合射孔防砂裝置起爆率、射孔率100%，防砂材料出倉率95%、充填率100%；

b  射孔孔眼直徑Φ18～22 mm，穿深≥350 mm；

c  防砂粒徑≥0.1 mm，滲透率≥47000×10^-3 μm²；

d  防砂塞耐壓強度10 MPa，耐溫350℃。

（2）整體地面試驗

單發模擬試驗只能反映單發的性能，適應做機理性研究。而井下的實際工況是多發彈裝在一個射孔裝置內，以一定相位角螺旋放置。多彈連續起爆引起裝置內壓力變化，影響防砂材料輸入，在試驗中出現嚴重的彈內干擾，因此必須進行整體模擬試驗。試驗所用裝置采用油田常用的Φ127 mm射孔裝置，技術參數如表2。用于整體試驗的環形水泥靶外徑Φ1.5 m，高0.9 m，制作標準與單發水泥靶相同，結構如圖7，實物如圖8、9。

表2  多發模擬整槍技術參數表

圖7  用于整體試驗的環形水泥靶結構圖

1  套管封口  2  7″套管     3  水泥靶      4  外護鐵皮

5  起爆器     6  導爆索    7  射孔防砂彈   8  外殼

經過7次整體模擬試驗，徹底解決了彈間干擾問題，試驗結果各項技術指標與單發試驗相同，達到現場試驗要求。地面模擬試驗成功，為進入現場試驗鋪平了道路。

3  配套技術

在復合射孔防技術的現場施工過程中，分析存在的安全隱患，將井下壓力檢測儀和長延期尾聲彈應用到該技術中，并研制出了配套的密閉式起爆器和射孔起爆安全裝置。

3.1 井下壓力監測儀

井下壓力監測儀是一種為油井射孔、壓裂或射孔壓裂復合施工中進行環空壓力測試的專用儀器。在下井前將井下壓力監測儀置于待觸發狀態，與射孔裝置相結合，一并下到油井中預定的深度。觸發射孔裝置，即可自動測量和記錄射孔的壓力－時間曲線。射孔完畢，取出油井測壓器，用計算機讀出測試數據，完成一次射孔的壓力測試。井下壓力監測儀實物如圖10，壓力－時間曲線如圖11。

3.2 長延期尾聲彈

長延期尾聲彈連接在復合射孔防砂裝置的最下端，僅能在復合射孔防砂裝置全部發射后才會被激發。激發后，經過60 s左右的延時，長延期尾聲彈爆炸并產生震動波，施工人員可以通過地面儀器，檢測到2次震動波以確認復合射孔防砂裝置的發射率。長延期尾聲彈實物如圖12。

3.3 密閉式起爆器

密閉式起爆器連接在油管的下端，并隨油管一并下入井內，從而使油管與套管之間不相連通，油套環空中的雜質不能進入油管內，有效保證了該密閉式起爆器上方油管的清潔，使自井口投入的撞擊棒可順利進入上接頭的通孔內而觸發外管內的擊針，從而避免起爆器不起爆導致射孔裝置不射孔的情況^[5]。密閉式起爆器實物如圖13。

3.4 射孔起爆安全裝置

射孔起爆安全裝置連接在起爆器與射孔裝置之間，用來避免該射孔裝置下井過程中由于操作不當造成的誤射。起爆安全裝置中的防爆活塞只有在一定井下液壓下才能打開傳爆通路^[6]，這樣就消除了下井過程中的安全隱患，同時又不影響其在井下的傳爆功能。射孔起爆安全裝置實物如圖14。

4  現場應用

自1999年起截至2018年底，已在遼河油田錦州采油廠的錦607塊、錦7塊、錦8塊、錦16塊；歡喜嶺采油廠的歡127塊、齊40塊、齊108塊；曙光采油廠的曙3區、曙4區、杜813塊、杜84塊；興隆臺采油廠的興隆臺油田、于樓油田、榮興屯油田；高升采油廠的高18塊、高246塊；沈陽采油廠的沈67塊；茨榆坨采油廠的青龍臺油田；金馬公司的洼38塊、海外河油田；冷家公司的冷617塊等，共計施工1101口井，增油73余萬噸，防砂成功率95.1%，油井含砂量小于0.03%。

4.1 錦字塊

錦字塊油藏屬于砂巖邊底水稠油油藏，含油面積達9.0 km³，地質儲量為5 697×104 t，油層孔隙度達28.7%～32.4%，滲透率753×10^-3 μm²～1 121×10^-3 μm²，泥質含量7.8%～11.3%，原始地層壓力9.75～10.95 MPa，有效厚度7.5 m～11.1 m，油藏埋深890 m～1 180 m，原油密度0.962 2 g/cm³～0.993 g/cm³，原油黏度494～7 697 mPa·s。該區塊于1984年11月投入開發，共有油井1035 口，油井普遍出砂。

以錦字-7-21井為例，該井位于樓油層組，原始地層壓力9.75 MPa，油層溫度45 ℃，孔隙度16.5 %～26.1 %，聲波時差418～550，滲透率1 495.8～249.1×10^-3 μm^–2，含水38.1 %～65.5 %，泥質含量11.5 %～27.1 %，粒度中值0.21 mm，原油粘度12 316 mPa.s，凝固點13 ℃，密度0.933 0 g/cm³。2018年6月28日施工，井段993.5～970.1 m，17.3 m/4層，目前注汽壓力11.9 MPa，注汽量2299 m³。累產油29530.0 t，水29110.0 m³，井口化驗含砂為零。與相鄰的采用普通射孔的油井進行效果對比（見表3）。臨井普通射孔井產油量、產水量均低于復合射孔防砂井，檢泵井口數及次數高于復合射孔防砂井，采用復合射孔防砂技術可以取得很好的防砂效果和生產效果。

表3  錦字塊復合射孔防砂技術施工井效果統計

4.2 杜字塊

杜字塊位于遼河盆地西部凹陷西斜坡，油品性質屬于稠油。油層埋深在765～920 m，含油井段長46～105 m，地層壓實作用弱，膠結差，但儲層物性較好，屬高孔隙度、高滲透率儲層。注汽過程中地層巖石發生水敏膨脹，膠結強度下降，導致地層出砂嚴重。遼河油區常用的防砂技術在這一區塊都存在著各自的缺點，所以將這一區塊作為試點，采用復合射孔防砂技術進行防砂，并與鄰井采用普通射孔的油井做比較（見表4）采用本技術的油井均正常生產，取得了很好的防砂效果和生產效果。

表4  杜字塊復合射孔防砂技術施工井效果統計表

在杜字塊應用的典型井例為40-65井，該井于2014年3月8日套變關井，2014年7月16日大修后采用復合射孔防砂技術完井，統計2014年7月16日至2018年11月7日，累計開井1540天，產液35064.96 t，產油27581.88 t，平均日產液22.77 t，日產油17.91 t，沒有檢泵，井口含砂小于0.03 %。本井的生產情況與大修之前的生產情況對比，采用復合射孔防砂技術后由于出砂受到控制，油井生產穩定，平均日產油、日產液都有增加（見圖15）。通過該技術措施施工井與其臨井對比結果（見表3）可以明顯看出，復合射孔防砂技術具有良好的防砂生產效果。

5  復合射孔防砂技術發展方向

復合射孔防砂技術在遼河油區防砂技術方面已經取得了顯著的成績，復合射孔防砂裝置也日趨完善，但在現今科技發展日新月異的背景下，仍需不斷提高，根據現場應用過程中出現的不足并綜合多方面的考慮提出以下發展方向：

1）為了提高該技術的市場競爭力，要向功能多樣化、產品簡單化方向發展。在保證復合射孔防砂技術施工成功率及防砂材料充填量的前提下，加強與其他工藝技術的結合，滿足更多的施工需求，并通過尋找新材質及簡化裝置結構使產品價格更低廉，最終達到滿足各種出砂油井的防砂需求^[7]。

2）智能化射孔作業技術。將計算機技術以及通信技術與射孔作業技術相結合，實現磁定位短節自動識別和自動校深的功能，以完成射孔項目的智能化，提高射孔精度和減少操作人員工作量，使射孔校深的質

量和時效發生了質的飛躍。

3）水平井復合射孔防砂技術。水平井作為開發薄層油藏的新方法，能達到提高油井產量的目的。目前所采用的水平井礫石充填防砂技術，工藝復雜、成本較高，且存在一定風險。水平井復合射孔防砂技術如能解決豎直方向射孔孔道防砂材料充填量的問題，便能以施工簡便、成本低廉成為一種替代技術^[8]。

4）射孔測試一體化技術。將射孔裝置與測試儀器連接在一套管柱上，通過一次下井作業，完成射孔和測試兩種功能。可在射孔后第一時間獲得最真實的地層溫度、壓力、滲透率等多項參數。

5）油管傳輸多層射孔分級起爆技術。在遼河油區某些區塊，存在著相鄰兩個射孔層段距離過長的問題。可采取多級起爆的方式，在第一級投棒起爆后釋放次級投棒，既可以避免重復作業，又不會影響試油的結果，成本低，施工周期短，具有推廣應用的前景。

6）射孔抽油一體化技術。將射孔裝置連接在抽油泵的下端，在射孔完成后直接投產。這樣既可以避免井噴，又可以避免對地層的污染，還可以降低作業費用，滿足現在油田開發的需求^[9]。

7）全通徑射孔技術。將全通徑射孔裝置下入至指定層位，點火起爆，完成射孔后裝置內全部組件分解成碎屑，并形成油管直徑大小的通徑。可以直接進行測井及其他措施，避免了起下管柱對地層造成的傷害，增加了作業的安全性，具有良好的推廣前景。

6  結  論

復合射孔防砂技術達到了射孔技術與防砂技術的完美結合，根據不同地質條件設計使用不同類型的射孔裝置，施工完成后井筒內沒有多余管柱，有利于后續作業。目前復合射孔防砂技術已在遼河油區普遍推廣，得到了廣泛好評，是出砂油田高效開發的有效途徑之一。

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