动态负压射孔作用机理新认识

常鹏刚，王永清，马飞英，蒋睿，章双龙

（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500）

0 引 言

常规负压射孔工艺技术应用中，部分负压射孔效果并不是很理想，特别是在低孔隙度、低渗透率、致密性油气藏。通过研究发现，单纯的静态负压并不一定能确保射孔孔眼清洁，其主要原因是常规静态负压射孔不能在井筒与地层间快速形成负压差，从而影响了孔眼泄流幅度，降低了负压射孔效果。为解决这一难题，斯伦贝谢公司提出了动态负压射孔技术。该技术在射孔爆轰时，能够在井筒内快速形成负压差，瞬间释放地层能量，使射孔孔眼产生更高的泄流幅度和相对较长的持续时间，从而有效清除射孔污染，得到更加清洁的射孔孔眼。

除了阐述动态负压射孔的常规作用机理，以相关研究资料为基础，运用逻辑推理与现场试验相结合的方法，从储层孔眼周围应力变化和井筒压力波动2个方面入手，全面阐述动态负压射孔技术其他可能的作用机理，为动态负压射孔施工提供理论依据。

1 基本依据

国内外先前的研究主要集中在动态负压射孔工艺对射孔孔眼周围压实带的物性改良方面，其观点主要有2种：①动态负压射孔工艺技术之所以能够较大幅度地减小射孔损害，主要是因为射孔后在井筒内快速形成了负压差[1－8]，即动态负压，使射孔孔眼产生了幅度更高、持续时间更长的泄流，从而有效清除射孔污染，得到更加清洁的射孔孔眼；②起爆射孔阶段，由于岩石孔隙压力的瞬间降低导致孔道周围岩石发生剪切或张性破碎[9－11]，形成了微裂缝网，提高了射孔孔眼压实带渗透率。

基于以上2种基本作用机理，对动态负压射孔技术进行研究，对动态负压射孔技术的基本机理形成了新认识，能够更合理、更全面地解释动态负压射孔技术能够形成更加清洁的射孔孔眼的原因。

1.1 聚能射孔弹气体损害研究

国内外以前有关聚能射孔器射孔损害机理的研究认为，聚能射孔器造成储层伤害的主要原因是聚能射孔弹爆轰产生的金属射流在岩石表面进行造孔的同时，在射孔孔眼周围形成了一层一定厚度的压实带，该压实带具有高孔隙度低渗透率的特征，从而严重影响了油气井产能和注入井的注入效率[11]。有学者认为，爆轰之后的残留气体膨胀也是造成射孔损害不可忽视的原因之一[12]。射孔爆轰之后，井筒压力在短短几毫秒内上升到将近65MPa。但是，该观点只停留在爆轰气体膨胀造成射孔损害的宏观层面，没有进一步阐明爆轰气体造成储层伤害的微观机理。

1.2 聚能射孔弹射流侵切理论

射流对靶板的侵切过程通常称为破甲过程。该过程可以分为3个阶段：开坑过程、准定常过程和终止过程[13]。

（1）在开坑阶段，射流头部高速碰撞静止的靶面，在界面处形成高温、高压、高应变率的三高区。从碰撞点向靶内和射流中分别传入冲击波，靶板自由面在稀疏波的作用下发生崩裂，靶板材料和射流残渣飞溅。该阶段产生的孔深很小，形似口袋。

（2）在准定常阶段，后续射流对处于三高区状态的靶板继续进行侵切。射流接触的靶面已经有速度，界面压力显著降低。由于射流下降不快，侵切过程中侵切速度和孔径变化不大，基本与侵切时间无关，可以看作准定常过程，大部分孔道属于该阶段，为射流侵切的主要过程。

（3）在终止阶段，随着射流速度的逐渐降低，靶材强度影响逐渐增加。同时由于射流速度低，扩孔能力下降，后续射流推不开前方射流与靶板碰撞产生的残渣，射流作用在残渣上，而不是作用在靶板的底部，影响了射流的侵切，从而导致射流侵切过程停止。

通过对射流造孔的3个阶段分析得出，当聚能射孔弹形成的射流不足以推开前方射流与靶板碰撞产生的残渣时，射流将直接作用于残渣上；而当此时的射流头部压力又高于地层压力时，致使射孔残渣向压实带孔道和裂缝转移，造成压实带渗透率伤害。

1.3 动态负压值的大小与初始井筒压力的关系

国外学者认为，消除射孔损害与最大动态负压和瞬态泄流直接相关，而与初始井筒压力无关[14]，但是，中国学者通过现场试验发现，动态负压值的大小却与井筒初始压力密切相关[15－16]。国外的研究结果与中国的试验结论相冲突唯一的原因就是动态负压射孔的作用机理还不够完善。

2 动态负压射孔作用机理新认识

2.1 井筒动态环境对减小射孔损害的作用机理

按照能量守恒原理，能量不会凭空消失，它只能以做功和热交换的方式进行转移。对常规负压射孔，残余爆轰能量除了以热交换、射孔管串震荡转移少许能量之外，则主要以气体膨胀的方式对射孔液做功，使射孔液在该能量的作用下出现向地层“倒流”的现象，进而将射孔孔眼中的部分射孔残渣带入地层，损害储层渗透率。所以，在某些情况下，常规负压射孔是在已造成储层渗透率伤害的前提下才进行孔眼返排清洗的。常规静态负压射孔对爆轰残余能量的消化是以被动的方式进行的。而动态负压射孔技术恰恰相反，在爆轰射孔时，泄压腔将对残余爆轰能量起到一个主动缓冲作用，使井筒压力尽量一直处于负压状态，不会出现所谓的“倒流”现象，从而延长了孔眼泄流的持续时间，有效减小了射孔损害。动态负压射孔井筒动态如图1所示。

除此之外，井筒动态环境还存在以下3个方面的作用机理。

图1 动态负压射孔时井筒压力随时间的变化曲线

（1）射孔液在环空中的高流速，改变了低能气体（射流）在井筒壁上的作用点，减小了低能射流损害。射孔弹起爆后，泄压装置同时打开，射孔液会在井筒压力或自身重力的作用下向下流动，在射孔管串上部由于环空间隙较大，所以流动速度相对较小，而在射孔管串段，由于环空间隙较小，流速可能非常大。在射流的终止阶段，由于射孔液的高流速会使射流靶点向下偏移，缩短了残余低能射流与射孔残渣的接触时间，不仅降低了射孔残渣侵入压实带裂缝或者孔隙的几率，而且也降低了地层流体的返排阻力，提高了孔眼泄流幅度，最大限度地将射孔残渣带出孔外，减小对压实带渗透率的损害，提高了射孔孔眼流动效率（见图2）。

图2 动态负压射孔作用机理示意图

（2）射孔管串与套管之间的高流速诱发了孔眼泄流。当射孔液高速流过射孔孔眼时，会在孔眼处形成一个相对较小的负压（水力射流泵原理），增大了地层与井筒之间的压力差，从而产生幅度更大、持续时间更长的泄流，较好地清洁了射孔孔眼，改善了压实带渗透率。

（3）在一个合适的范围内，随着井筒射孔段初始压力增大，以上2个方面的作用效果更加明显。由于井筒初始压力的增大，最终体现为射孔液当量密度的增加，所以随着井筒初始压力增大，单位体积射孔液质量增加，从而其重力增加，在泄压面积一定的情况下，这不仅会增大作用在低能气体（射流）上的作用力，而且还会增大泄流启动加速度，增强以上2方面的作用效果。

通过以上论述，也可以解释在掏空井筒的情况下也无法达到理想的射孔效果的原因。掏空井筒并不意味着没有压井液存在，只不过它是以气相—空气的形式存在，井筒初始压力应为0.1MPa。

2.2 射孔孔眼周围岩石物性的改变对减小射孔损害的作用机理

（1）地层流体返排清洗对减小射孔损害的作用机理。一般情况下，储层本身含有大量的、可移动的微小颗粒（见图3）。起爆射孔时又会粉碎部分岩石颗粒，形成压实带，使孔眼周围微小颗粒的百分含量更高（见图4）。储层渗透率伤害概率变得更大。动态负压射孔技术能够在井筒中快速形成负压差，使地层能量透过射孔孔眼以流体返排的形式得到瞬间释放。在井筒与地层之间压力差增大期间，泄流流量将逐渐增大，从而对储层岩石（尤其是压实带）孔隙及裂缝表面的冲刷作用也不断增强，进而将侵入孔隙及裂缝内部的微小颗粒以及部分自生矿物带出孔隙，解除微小颗粒对孔喉的封堵，提高孔眼周围岩石的渗透率。同时，将射孔孔道内的射孔残渣以分选的方式逐渐带出射孔孔道，提高了有效孔眼的个数。

图3 射孔之前的储层状况

图4 射孔之后的储层及孔眼周围的状况

（2）剪切作用形成的微裂缝网对减小射孔损害的作用机理。在起爆射孔时，孔眼周围岩石的应力平衡瞬间遭到破坏。在地应力作用下，使射孔孔眼周围产生微裂缝网（见图5），从而大幅提高射孔孔眼周围压实带的渗透率。

图5 剪切应力使孔眼周围产生裂缝

地应力不平衡导致岩石出现微裂缝，直接降低了射孔孔眼周围岩石的强度，在地层流体返排清洗阶段，随着泄流幅度的持续增加，可能造成孔眼周围岩石坍塌，减小射孔压实带的厚度，增大了射孔孔眼直径（见图6），从而提高了孔眼流动效率。与斯伦贝谢公司P.Bolchover和I.C.Walton等2位专家的实验结论，即动态负压射孔使射孔孔眼扩大相当吻合。

图6 坍塌造成射孔孔眼扩大

只有从井筒能量转移和储层物性变化2个方面着手，才能更加深刻的理解动态负压射孔作用机理的本质。作用机理的主次之分与储层物性、射孔液性能、降压器械性能密切相关。

3 工艺试验验证

由表1可知，在初始压力一致的前提下，随着动态负压值增大，岩心流动能力增强，储层渗透率伤害程度减轻。但是，第2组数据稍有波动，说明控制孔眼清洁程度的因素并不仅仅只是动态负压的幅度，还有动态负压变化的时间，即动态负压射孔时评价孔眼清洁程度的指标应该是动态负压变化率。而且动态负压变化率越大，孔眼越清洁，压实带渗透率与储层原始渗透率的比值也越大。

从表1中的后2列数据也可以看出，动态负压射孔时，压实带不可辟免的存在，但是，其流动效率却很高，这不仅说明大量的射孔残渣已经被带出孔外，而且在动态负压射孔时，还可能有次生裂缝生成。

表1 单发射孔试验岩心分析结果

在射孔枪类型、射孔弹类型、孔密、初始负压相同的情况下，也即在相同的枪套间隙下，随着枪身装药量的增加，动态负压变小（见表2）。在该前提条件下，装药量的增加也可以等同于同等情况下枪套间隙的减小，导致射孔液作用于膨胀气体上的力减小，使井筒压力变化放缓，动态负压幅度降低。这支持了有关井筒动态对减小射孔损害的观点。

表2 工艺试验数据1

分析表3中的数据可知，在相同的射孔枪类型、射孔弹类型、孔密、装药量情况下，随着初始压力的增大，动态负压幅度增强，这与增大初始负压使井筒动态作用增强的结论完全一致。

表3 工艺试验数据2

在现场施工中选择了4口井进行了动态负压射孔试验，试验测试结果见表4。分析表明，4口井射孔表皮全部表现出了超完善井的特征，这说明在动态负压射孔时，射孔孔眼有所扩大或者射孔孔眼周围形成了微裂缝网。

表4 实际施工井测试数据

4 结 论

（1）常规静态负压射孔以被动的方式消化残余爆轰能量，而动态负压射孔则会对残余爆轰能量起到一个主动地缓冲作用。

（2）射孔液在环空中的高流速改变了低能气体（射流）在井筒壁上的作用点，缩短了残余低能射流与射孔残渣的接触时间，降低了储层伤害几率和地层流体返排阻力。

（3）射孔管串与套管之间的高流速在射孔孔眼处形成了水力射流泵原理，诱发了孔眼泄流。

（4）在一个合适的范围内，随着井筒射孔段初始压力增大，（2）和（3）两方面的作用效果更加明显。

（5）地应力不平衡导致岩石出现微裂缝，降低了射孔孔眼周围岩石的强度，在地层流体返排清洗阶段，随着泄流幅度的持续增加，造成了孔眼周围岩石坍塌，减小了射孔压实带的厚度，增大了射孔孔眼直径，提高了流动效率。

（6）在动态负压射孔中，井筒残余爆轰能量转移与储层物性改良等2个方面作用机理的主次之分与储层物性、射孔液性能、降压器械性能密切相关。

（7）工艺试验结果表明，动态负压作用机理由井筒动态影响和储层岩石物性改良2个方面组成，且二者互为补充。

[1]Martin A J，Clark D，Stirton G.Dynamic Underbalanced Perforating on a Mature North Sea Field[C]∥SPE93638，2005.

[2]Tovar J，Appleby R.Design and Evaluation of Perforation Performance Using Dynamic Under Balance——North Sea Case Histories[C]∥SPE135712，2010.

[3]Humberto Campos，Sergio Martinez.Geomechanical Applications for Near-Balance and Dynamic Underbalance Perforating Technique in Overpressured Gas Zones in Burgos Basin[C]∥SPE108480，2007.

[4]Medina M，Moranes G，Guevara W.Dynamic Underbalanced Perforating Application Increases Productivity in the Mature High-permeability Gas Reservoirs of Santa Ana Field，Venezuela[C]∥SPE112488，2008.

[5]Minto D，Falxa P，Manalu D.Dynamic Underbalanced Perforating System Increases Productivity and Reduces Cost in East Kalimantan Gas Field：A Case Study[C]∥SPE97363，2005.

[6]Al-Marri Faisal，Hassan Ibrahim Khalil.New Perforating Technique Improves Well Productivity and Operational Efficiency[C]∥ SPE101278，2006.

[7]Dennis Baxter，Brian Wells.Overcoming Environmental Challenges Using Innovative Approach of Dynamic Underbalance Perforating[C]∥ SPE108167，2007.

[8]Bahrami H，Siavoshi J，Sheikh M Veisi.Numerical Simulation of Wellbore Dynamics During Underbalanced Perforation[C]∥SPE120162，2009.

[9]Bolchover P，Walton I C.Perforation Damage Removal by Underbalance Surge Flow [C]∥ SPE98220，2006.

[10]Walton I C.Optimum Underbalance for the Removal of Perforation Damage[C]∥SPE63108，2000.

[11]李东传，郭金荣，刘亚芬，等.射孔损害机理研究[J].大庆石油地质与开发，2004，23（2）：47-48.

[12]李东传，金成福，刘桥，等.聚能射孔器爆炸气体损害机理研究 [J].测井技术，2011，35（5）：494-496.

[13]刘玉芝.油气井射孔井壁取心技术手册 [M].北京：石油工业出版社，2000.

[14]Eelco Bakker，Kees Veeken，Lamy Behrmann.动态负压射孔新技术 [J].国外测井技术，2004，19（5）：48-60.

[15]刘方玉，刘桥，蔡山.动态负压射孔技术研究 [J].测井技术，2010，34（2）：193-195.

[16]刘桥.PURE动态负压射孔技术在大庆油田的应用[J].应用科学，2009，9：35-36.