碳酸盐岩储层射孔穿深的影响规律.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001- 8352. 2020. 01. 010 碳酸盐岩储层射孔穿深的影响规律 * 罗 伟 ①② 林永茂② 李海涛③ ①南充职业技术学院(四川南充,637131) ②中国石化西南油气分公司(四川德阳,618000) ③西南石油大学(四川成都,610500) [摘 要] 为寻求射孔弹在碳酸盐岩中的穿透规律以及岩石性质对射孔穿深的影响,开展了不同抗压强度碳酸盐 岩射孔弹地面打靶试验和不同围压下碳酸盐岩、砂岩射孔弹高温高压打靶试验。 试验结果表明对于碳酸盐岩储 层,岩石抗压强度、围压以及温度对射孔穿深的影响规律与砂岩储层一致;抗压强度越大,围压越大,射孔穿深越 小,在射孔弹耐温指标范围内,温度对射孔穿深的影响非常有限;在相同抗压强度和相同围压的条件下,射孔弹在 碳酸盐岩的射孔穿深低于在砂岩储层中的射孔穿深;岩石抗压强度、围压以及岩石性质是影响射孔弹地下实际穿 深的3 个最重要因素。 [关键词] 碳酸盐岩储层;射孔穿深;影响规律;测试试验;岩石性质 [分类号] TJ410 Dependence of Perforating Penetration Depth on Properties of Carbonate Reservoir LUO Wei ①②, LIN Yongmao②, LI Haitao③ ① Nanchong Vocational and Technical College (Sichuan Nanchong, 637131) ② Southwest Branch Company, Sinopec (Sichuan Deyang, 618000) ③ Southwest Petroleum University (Sichuan Chengdu, 610500) [ABSTRACT] In order to understand the dependence of perforating penetration depth on the properties of carbonate reservoir, especially the rock properties, charge testing was carried out on carbonate rocks with different compressive strengths and under various levels of applied effective stress, and on sandstone rocks at high temperature and high pressure. Experimental results show that the influence of rock compressive strength, effective stress and temperature on the penetra- tion depth in carbonate reservoir and sandstone is consistent.The greater the compressive strength and the effective stress were, the smaller the perforating penetration depth would be. The influence of temperature on perforating penetration depth is very limited within the scope of temperature resistance index of perforating charge.The perforating penetration depth in carbonate reservoir is lower than that in sandstone reservoir when their compressive strengths and effective stresses are same.Rock compressive strength, effective stress and rock nature are the three most important factors guarding the under- ground penetration depth of shaped charges. [KEYWORDS] carbonate reservoir; perforating penetration depth; influence law; testing experiment; rock properties 引言 射孔作业是油气勘探开发过程中一个不可缺少 的环节,掌握其在真实储层中的穿透规律是进行射 孔参数优化的前提条件 [1- 2] 。 目前,国内不少学 者 [3- 7] 针对砂岩储层开展了高温高压条件下的射孔 穿透试验,获得了岩石抗压强度、温度以及围压等参 数对射孔穿深的影响规律,但针对碳酸盐岩储层的 射孔穿透研究甚少 [8] 。国外,Harvey等 [9- 10] 通过数 千组的射孔打靶测试试验发现,在相同岩石抗压强 度和围压条件下,射孔弹在碳酸盐岩中的穿透深度 第49 卷 第 1 期 爆 破 器 材 Vol. 49 No. 1 2020 年 2 月 Explosive Materials Feb. 2020 * 收稿日期2019- 07- 19 基金项目南充市科技计划项目(19YFZJ0026),南充职业技术学院博士科研启动项目(NZYBZ2001) 第一作者罗伟(1986 - ),男,副教授,主要从事油气井完井优化与井筒控制方面的研究工作。 E- maillwswpu@163. com 万方数据 要小于在砂岩中的穿透深度,说明岩石性质对射孔 穿深是有影响的。 我国存在大量碳酸盐岩油气藏, 主要分布在四川盆地、塔里木盆地、鄂尔多斯盆地及 渤海盆地,碳酸盐岩储层油气产量约占油气总产量 的60% [11] 。 因此,开展碳酸盐岩储层射孔穿透试 验,掌握射孔弹在该类储层中的穿透规律,了解岩石 性质对射孔穿深的影响,可为今后碳酸盐岩储层射 孔弹的选择与参数优化提供参考依据。 1 试验装置及方案 1. 1 试验装置 1. 1. 1 地面打靶试验 地面打靶试验装置如图1 所示。 采用模拟装枪 方式,模拟枪内炸高 12 mm、枪身 5 mm、外炸高 18 mm,模拟套管壁厚 10 mm,保证射孔弹的中心线与 岩石靶的中心线重合。 岩芯直径 152 mm、高度 700 mm、外部钢板靶套直径350 mm,岩芯与靶套之间用 水泥固化。 1 - 射孔弹;2 - 模拟枪内炸高;3 - 模拟射孔枪身厚度; 4 - 模拟套管间隙;5 - 模拟套管;6 - 砂岩靶;7 - 混凝土。 图1 地面打靶试验装置 Fig. 1 Experiment facility of the ground target 1. 1. 2 高温高压打靶试验 高温高压打靶试验装置如图 2 和图 3 所示,与 地面打靶试验装置类似,区别有3 点 1)试验岩芯直接用 3 mm 胶皮包裹装入直径 156 mm 的钢板靶套内固定; 2)模拟套管和岩芯之间装入 30 mm 左右的水 泥环; 3)将组装好的试验装置放入高温高压釜中,模 拟相应的试验温度及试验围压。 1. 2 射孔弹及岩芯选择 1)射孔弹采用89型超高温射孔弹,耐温220 ℃,100 h。炸药采用LLM- 105高爆速超高温炸药, 装药量为28 g,其中药型罩材料为铜- 钨粉末冶金, 1 - 射孔弹(单发弹的枪);2 - 套管(钢板);3 - 水泥;4 - 砂 岩靶;5 - 裹在砂靶外的胶皮;6 - 最外层带孔眼的管子。 图2 高温高压打靶试验装置 Fig. 2 Experiment facility of the target at high temperature and high pressure (a)高温高压釜 (b)试验靶 图 3 高温高压打靶实物装配图 Fig. 3 Actual facility of the target at high temperature and high pressure 壁厚1. 0 mm,直径40 mm。 该射孔弹通过 API 19B 认证,混凝土靶的穿孔深度为 947 mm,入孔孔径为 9. 2 mm。 2)试验岩芯选用四川的 3 种碳酸盐岩岩芯和 1 种砂岩岩芯,其中碳酸盐岩岩芯 3 # 与砂岩岩芯的 抗压强度基本相同,几种岩芯具体的物理性质参数 如表1 所示。 表1 试验岩芯的物理性质参数 Tab. 1 Physical parameters of test cores 岩体类型 孔隙 度/ % 渗透率/ mD 密度/ (g cm - 3) 平均抗压 强度/ MPa 碳酸盐岩1 # 5�. 270 . 092ǐ. 4574ψ. 5 碳酸盐岩2 # 5�. 120 . 112ǐ. 4373ψ. 8 碳酸盐岩3 # 5�. 430 . 072ǐ. 51113�. 6 砂岩6�. 560 . 142ǐ. 41113�. 0 05 爆 破 器 材 第 49 卷第 1 期 万方数据 1. 3 试验方案 为研究碳酸盐岩储层中岩石抗压强度、围压对 射孔穿深的影响规律以及岩石性质对射孔穿深的影 响,结合试验装置的技术条件,制定试验方案为 1)选取 3 种碳酸盐岩岩芯,开展地面打靶试 验,每种岩芯打两发射孔弹,求取平均值,分析岩石 抗压强度对射孔穿深的影响规律; 2)选取碳酸盐岩3 #岩芯和砂岩岩芯,开展高温 高压打靶试验;测试射孔弹在不同温度(80 ℃/ 10 h、160℃/ 10h)和不同围压(0、15、30、45、60 MPa)下 的穿深,每个围压下打两发射孔弹,求取平均值,分 析围压和温度对射孔穿深的影响规律;并将砂岩与 碳酸盐岩岩芯的试验结果进行对比,分析岩石性质 对射孔穿深的影响。 2 试验结果与影响规律分析 根据试验方案,开展了射孔弹在选用的碳酸盐 岩岩芯以及砂岩岩芯中的打靶测试,试验结束后,测 量了岩芯中的射孔穿深。 部分试验结果如图4 和图 5 所示。 2. 1 岩石抗压强度对射孔穿深的影响 表2为碳酸盐岩地面打靶试验结果。表2显 示,常温下,碳酸盐岩 1 # 岩芯(抗压强度为 74. 5 MPa)对应的射孔穿深为 375 mm,碳酸盐岩 2 #岩芯 (抗压强度为 73. 8 MPa) 对应的射孔穿深为 390 mm,说明抗压强度相当的岩石对应的射孔穿深基本 一致,而碳酸盐岩 3 #岩芯(抗压强度为 113. 6 MPa) 对应的射孔穿深为280 mm,反映出岩石抗压强度与 射孔穿深的负相关性,即岩石抗压强度越大,射孔穿 深越小 [12- 14] 。 两种类型储层呈现出相同的影响规律,分析其 原因主要是无论何种储层,岩石抗压强度都是岩石 骨架颗粒、胶结程度以及岩石内部结构的综合反映, 岩石抗压强度越大,说明岩石越致密、胶结越紧、岩 石内部结构越牢固,对应的岩石就越不容易被破坏, 导致射孔弹在其内部的射孔穿深就越小。 表2 地面打靶试验结果 Tab. 2 Ground target test results 岩体类型 温度/ ℃ 围压应力/ MPa 射孔穿深/ mm 平均射孔 穿深/ mm 碳酸盐岩1 # 常温0 360 390 375 碳酸盐岩2 # 常温0 380 400 390 碳酸盐岩3 # 常温0 295 265 280 (a)1 # (b)1# (c)2# (d)2# (e)3# (f)3# 图 4 碳酸盐岩地面打靶试验结果 Fig. 4 Ground target test results of carbonate rock (a)3 #、160 ℃、60 MPa (b)3#、160 ℃、60 MPa (c)砂岩、160 ℃、60 MPa 图 5 高温高压打靶试验结果 Fig. 5 Target test results at high temperature and high pressure 152020 年2 月 碳酸盐岩储层射孔穿深的影响规律 罗 伟,等 万方数据 2. 2 围压对射孔穿深的影响 不同围压下对应的射孔穿深如表3 所示。 对于 碳酸盐岩储层,随着围压的增加,射孔穿深逐渐降 低,当围压增加到60 MPa 时,射孔穿深相对于无围 压时下降了 33. 4%,但是射孔穿深降低的幅度随围 压的增加而逐渐减小,最后射孔穿深趋于一稳定值, 这与砂岩储层围压对射孔穿深的影响规律也一 致 [15- 16] 。 出现这种规律的原因主要是随着围压的 增加,靶体岩芯受压,导致岩石内部结构改变,岩石 孔隙度更低,胶结更紧密,对应的岩石抗压强度越 大,导致射孔穿深降低。 但是,岩石内部的紧密程度 以及抗压强度并不会随围压的增加而无限增加,有 一个对应的极限围压值(所用岩石对应的值大约为 60 MPa);当高于极限围压值,岩石内部紧密程度和 抗压强度不会进一步增加。 表3 高温高压打靶试验结果 Tab. 3 Target test results at high temperature and high pressure 岩体类型 温度/ ℃ 围压应力/ MPa 射孔穿深/ mm 平均射孔 穿深/ mm 碳酸盐岩3 # 80 160 160� 160� 160� 160� 0� 0� 15 30 45 60 278� 274� 276� 268� 221� 199� 205� 195� 193� 191� 182� 180� 276� 272� 220� 200� 192� 181� 砂岩 160�0� 160�15 160�30 160�45 160�60 420� 311 * 368� 358� 344� 330� 355� 347� 322� 289� 420� 363� 337� 351� 305� *数据异常,舍去。 2. 3 温度对射孔穿深的影响 对于碳酸盐岩储层,设定了 3 个温度环境,常 温、80 ℃以及160 ℃。 从试验结果(表2、表3)可以 看出,在所选取射孔弹的耐温范围(220 ℃)内,随着 环境温度的增加,射孔穿深有下降趋势,但下降的幅 度很小。 这主要是由于随着环境温度的增加,射孔 弹内炸药将逐步发生热分解作用,进而使射孔弹体 积膨胀,引起射孔弹装药密度降低,导致射孔弹起爆 后的爆速和爆压降低,最终引起射孔穿深降低。 但 是当环境温度低于射孔弹的耐温指标时,炸药的这 种热分解作用发生程度很低,装药密度降低以及爆 速爆压衰减很小,因此对射孔穿深的影响非常有限; 一旦环境温度高于射孔弹的耐温指标时,炸药的热 分解作用将会显著增加,热分解会产生大量的气体, 并引起体积膨胀,导致射孔穿深急剧降低,更有甚者 将会引起射孔弹起爆失败 [3] 。 2. 4 岩石性质对射孔穿深的影响 为验证 Harvey 等 [9- 10] 的研究结论,选取了抗压 强度基本相同的碳酸盐岩岩芯和砂岩岩芯,分别开 展了不同围压下的射孔弹高温打靶试验。 表 3 中, 在岩石抗压强度和围压相同的条件下,同种射孔弹 在碳酸盐岩岩芯中的穿透深度要低于在砂岩岩芯中 的穿透深度,低 100 mm 左右。 主要是由于碳酸盐 岩储层相对于砂岩储层非均质性更强,更容易发育 有裂缝,因此在相同抗压强度的前提下,碳酸盐岩中 基质的孔隙度相对于砂岩更低,基质的致密程度以 及胶结强度相对于砂岩更大,进而导致射孔弹在碳 酸盐岩岩芯中的穿透深度低于在相同抗压强度砂岩 岩芯中的穿透深度。 3 结论 1)对于碳酸盐岩储层,岩石抗压强度越大、围 压越大,射孔穿深越小,这与砂岩储层岩石抗压强度 和围压对射孔穿深的影响规律一致;当环境温度在 所选射孔弹耐温指标范围内,环境温度对射孔穿深 的影响很小。 2)在相同岩石抗压强度和相同围压的条件下, 射孔弹在碳酸盐岩储层中的射孔穿深低于在砂岩储 层中的射孔穿深。 因此,相对于致密砂岩储层,致密 碳酸盐岩储层更适合选用超深穿透射孔弹。 3)岩石抗压强度、围压以及岩石性质是影响射 孔弹地下实际穿深的主要因素,在进行射孔弹选择 以及射孔参数优化时,应重点关注实际储层的这 3 个影响参数。 参 考 文 献 [1] 罗伟,李海涛,粟超,等. 考虑爆燃气体滤失和多裂缝 25 爆 破 器 材 第 49 卷第 1 期 万方数据 的复合射孔裂缝扩展动态模拟[J]. 油气地质与采收 率,2013,20(4)102- 104,110. 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