CN102865058B

CN102865058B - 多脉冲增效射孔装置

Info

Publication number: CN102865058B
Application number: CN201210340199.3A
Authority: CN
Inventors: 李如江; 刘晓红; 张晋红; 高永红; 刘迎彬; 刘天生
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: CN102865058A

Abstract

本发明为一种多脉冲增效射孔装置，解决了现有增效射孔装置装药结构单一、作用时间短、工艺复杂等问题。该装置包括射孔弹和增效前仓，增效前仓包括安置环状密封圈的前仓壳体，射孔弹插设于环状密封圈内，前仓壳体内由上至下填装有引燃药层、扩燃药层和爆燃药层；引燃药由高氯酸盐、木粉和粘结剂组成，扩燃药由高氯酸盐、活性金属粉末和粘结剂组成，爆燃药由高氯酸盐、活性金属粉末、黑索今和粘结剂组成；前仓壳体和环状密封圈由PTFE、活性金属粉末和氧化铁粉末经混合、压制成坯、烧结而成。该装置的采用药体分层结构，各层增效药体能量逐级放大，可产生多次脉冲作用，且增效前仓和环状密封圈反应完毕后无大的破片产生。

Description

多脉冲增效射孔装置

技术领域

本发明属于石油开采领域，涉及一种用于对油井射孔后的压裂增效装置，具体是一种多脉冲增效射孔装置。

背景技术

随着石油、天然气开发技术的深入发展，新勘探油气层的质量不断下降，油气层类型更加复杂，低渗透、致密砂岩油层在油气储量中占较大的比例。为了提高油气井产能，就必须进一步沟通油层和套管之间的通道，提高射孔技术水平。

增效射孔装置就是在聚能射孔技术的基础上，增加了高压气体压裂技术。利用炸药的爆速和火药的燃速差来实现射孔后气体压裂，并控制压力上升速度，使迅速释放的高温高压气体通过聚能射孔形成通道，在井筒附近压开多方位裂缝，从而提高完井作用半径，部分解除钻井固井射孔等作业过程对地层的污染，改善近井地层导流能力同时使射孔通道以裂缝的形式延伸扩展，在致密地层中产生造缝作用，提高射孔完井效果，达到增加产能的目的。

增效射孔装置的应用可以使聚能射孔与火药燃气压裂工艺一次完成，简化了工序，缩短了施工周期，提高射孔完井效率，进而提高了油层开发效率，能够解除常规聚能射孔产生的压实带，消除泥浆污染，可以显著降低油层表皮系数，对油田后期改造具有重要作用。

目前，常用的增效射孔装置大都采用单种增效火药，装药结构比较单一，例如公开号为CN102337870公开的发明专利中使用的二次爆炸复合增效射孔器就是仅采用了铝粉与火药的混合物。在增效火药作用之后，由于脉冲压力大，持续时间短，造成射孔枪身膨胀，易发生卡枪事故。增效部分的外壳材料通常为铝壳或钢壳，在作用之后会留下大的破片，沉积在井底，增加了钻井成本。公开号为CN 102287170A公开了一种变燃速的增效射孔装药结构，装药前仓内部由周缘到射流通道之间从高至低设置有点火、延时、增速和爆燃等四个药圈组成，尽管可实现变燃速的目的，但是加工工艺较复杂，费时费力。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的缺点，而提供一种多脉冲增效射孔装置。该装置在射孔的同时，能够在孔道内产生多次脉冲作用压力，延长了作用时间，在井筒附近压开多方位裂缝，从而提高了射孔后孔道的渗流能力，可有效增加油井的产能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多脉冲增效射孔装置，包括射孔弹和增效前仓，射孔弹包括顶部设有导爆索的弹壳、设于弹壳内部的药型罩以及填装于弹壳和药型罩之间的高能炸药；增效前仓包括前仓壳体，前仓壳体的顶部为仓口、底部为凹形底板，凹形底板的中心处开设有射流通孔；增效前仓还包括环状密封圈和增效药体，环状密封圈安置于前仓壳体的仓口内，射孔弹的口部插设在环状密封圈内；增效药体填装于前仓壳体内，增效药体的中心处开设有与射孔弹内腔及射流通孔相通的射流通道；射孔弹和前仓壳体同轴设置；增效药体分为上、中、下三层，上层为引燃药、中层为扩燃药、下层为爆燃药，其中，引燃药占增效药体总重的10%-20%，爆燃药占增效药体总重的30%-50%，剩余为扩燃药，引燃药层、扩燃药层、爆燃药层的填装密度依次增大；引燃药层中心处的射流通道的竖直截面为倒锥形（即：顶部直径大、底部直径小的锥形）；引燃药由高氯酸盐、木粉和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐50%-70%、木粉25%-40%、粘结剂5%-10%；扩燃药由高氯酸盐、活性金属粉末和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐60%-70%、活性金属粉末10%-30%、粘结剂10%-20%；爆燃药由高氯酸盐、活性金属粉末、黑索今和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐30%-60%、活性金属粉末10%-30%、黑索今5%-40%、粘结剂5%；前仓壳体和环状密封圈都是采用PTFE、活性金属粉末和氧化铁粉末为原料，经混合、压制成毛坯后，放入温度为270℃-310℃且具有惰性气体保护气氛的烧结炉中烧结而成，其中，各原料含量范围按质量百分比计为：PTFE50%-80%、活性金属粉末17%-47%、氧化铁粉末3%。

本发明多脉冲增效射孔装置的工作原理如下：

通过导爆索引爆射孔弹，射孔弹爆炸后药型罩形成的金属射流通过射流通道击穿套管等并进入周围岩层，形成射孔孔道。由于增效前仓内的增效药体组分不同，其燃烧压力和时间等参数也不一样。射孔弹爆炸之后冲击引燃与其接触的引燃药，引燃药爆燃后引燃了下层的扩燃药，进一步引燃了下层的爆燃药，爆燃药产生更大的能量，引燃药到爆燃药，能量逐级放大，爆燃药产生的热量和冲击波进一步使前仓壳体和密封环发生反应，产生了热量和气体产物，在前仓装药和壳体共同作用下，产生了多次脉冲作用，延长了作用时间，在射孔后形成的孔道周围产生更多的裂隙，从而提高了射孔孔道的渗流能力。同时由于前仓壳体和环状密封环采用特殊材料制成，在作用完之后无大的破片产生，避免了油井的二次污染。环状密封圈的加入可提高射孔弹与增效前仓间的密封性，同时保证了前仓与射孔弹同轴。

进一步地，所述的引燃药、扩燃药、爆燃药组成原料中的粘结剂为硅氧烷树脂。增效药体都是粉末状的，在使用时需要粘结剂来将其固定，这是本领域技术人员所熟知的，粘结剂的选择种类较多，如：聚氨酯、酚醛树脂等。本发明优选硅氧烷树脂作为增效药体的粘结剂，因为硅氧烷树脂除了有粘结作用外，同时还由于其本身含有氧，也可以参与到整个的反应过程中。

所述的引燃药、扩燃药、爆燃药组成原料中的高氯酸盐可选用大部分的高氯酸盐，如高氯酸铵、高氯酸钠等。

所述的扩燃药、爆燃药、前仓壳体和环状密封圈组成原料中的活性金属粉末为镁粉、铝粉中的一种或是二者任意比例的混合粉末。扩燃药、爆燃药内加入活性金属粉末的作用是利用其与扩燃药和爆燃药的燃爆产物中的H₂O、CO₂等发生二次反应，放出大量的热，产生膨胀，延长了作用时间。经过大量试验发现，大部分的活性金属粉末都可达到该效果，但镁粉和铝粉的效果最好。相关反应方程式为：

Mg+H₂O→MgO+H₂+Q_V

2 Mg+ CO₂→2 MgO+C+ Q_V

2 Mg+ O₂→2 MgO+ Q_V

2Al+1.5 O₂→Al₂O₃+ Q_V

2Al+3 H₂O→Al₂O₃+3 H₂+Q_V

2Al+3 CO₂→Al₂O₃+3 CO +Q_V

前仓壳体和环状密封圈都是采用了PTFE（聚四氟乙烯）、活性金属粉末和氧化铁粉末为原料，经混合均匀后，倒入相应模具压制成毛坯，将毛坯放入温度为270℃-310℃且具有惰性气体保护气氛的烧结炉中烧结而成。烧制的前仓壳体和环状密封圈具有较高的强度，可以满足其生产、运输等操作处理。在爆燃药的高温高压产物作用下会使活性金属粉末（镁粉、铝粉或二者的混合粉末）与PTFE的分解产物发生反应，放出大量的热，造成气体产物的膨胀，形成二次脉冲作用，延长了压力的作用时间。而且前仓壳体和环状密封圈反应完后不会形成大的破片，避免了油井的二次污染。氧化铁（Fe₂O₃）粉末具有催化作用，在爆燃压力作用下，镁（铝）粉末首先与Fe₂O₃粉末作用放出大量的热，具有反应触发作用。相关反应方程式为：

3Mg+ Fe₂O₃→3MgO+2Fe + Q_V

2Mg+3C→Mg₂C₃ + Q_V

Mg+2F→MgF₂ + Q_V

2Al+ Fe₂O₃→Al₂O₃+2Fe +Q_V

4Al+ 3C→Al₄C₃ +Q_V

Al+ 3F→AlF₃ +Q_V

本发明与现有技术相比具有如下优点：内部增效药体采用分层装药结构，由上至下采用了引燃药、扩燃药和爆燃药，制造工艺简单。各层增效药体能量逐级放大，产生了多次脉冲作用。装药中使用了活性金属粉末，延长了作用时间，降低了增效射孔装置内的药体一次爆燃产生的能量导致炸枪事故的概率，长脉冲的连续作用使孔道裂纹更多和更深，实现了清洁射孔孔道的目的，增加了油层的渗透率，使作业井的产量显著上升。该装置前仓壳体和环状密封圈采用了反应材料制成，充分利用了空间，同时反应完毕后无大的破片产生，避免了油井的二次污染。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图中：1-射孔弹、2-前仓壳体、3-导爆索、4-弹壳、5-药型罩、6-高能炸药、7-射流通孔、8-环状密封圈、9-射流通道、10-引燃药、11-扩燃药、12-爆燃药。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步地描述：

实施例1

如图1所示，一种多脉冲增效射孔装置，包括射孔弹1和增效前仓，射孔弹1包括顶部设有导爆索3的弹壳4、设于弹壳4内部的药型罩5以及填装于弹壳4和药型罩5之间的高能炸药6；增效前仓包括前仓壳体2，前仓壳体2的顶部为仓口、底部为凹形底板，凹形底板的中心处开设有射流通孔7；增效前仓还包括环状密封圈8和增效药体，环状密封圈8安置于前仓壳体2的仓口内，射孔弹1的口部插设在环状密封圈8内；增效药体填装于前仓壳体2内，增效药体的中心处开设有与射孔弹1内腔及射流通孔7相通的射流通道9；射孔弹1和前仓壳体2同轴设置；增效药体分为上、中、下三层，上层为引燃药10、中层为扩燃药11、下层为爆燃药12，其中，引燃药10占增效药体总重的20%，爆燃药12占增效药体总重的37%，剩余为扩燃药11，引燃药10层、扩燃药11层、爆燃药12层的填装密度依次增大；引燃药层10中心处的射流通道9的竖直截面为倒锥形；引燃药10由高氯酸盐、木粉和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐55%、木粉37%、粘结剂8%；扩燃药11由高氯酸盐、活性金属粉末和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐60%、活性金属粉末30%、粘结剂10%；爆燃药12由高氯酸盐、活性金属粉末、黑索今和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐35%、活性金属粉末20%、黑索今40%、粘结剂5%；增效前仓2和环状密封圈8都是采用PTFE、活性金属粉末和氧化铁粉末为原料，经混合、压制成毛坯后，放入温度为280℃且具有惰性气体保护气氛的烧结炉中烧结而成，其中，各原料含量范围按质量百分比计为：PTFE50%、活性金属粉末47%、氧化铁粉末3%。

其中，粘结剂为硅氧烷树脂；活性金属粉末为镁粉。

实施例2

如图1所示，一种多脉冲增效射孔装置，包括射孔弹1和增效前仓，射孔弹1包括顶部设有导爆索3的弹壳4、设于弹壳4内部的药型罩5以及填装于弹壳4和药型罩5之间的高能炸药6；增效前仓包括前仓壳体2，前仓壳体2的顶部为仓口、底部为凹形底板，凹形底板的中心处开设有射流通孔7；增效前仓还包括环状密封圈8和增效药体，环状密封圈8安置于前仓壳体2的仓口内，射孔弹1的口部插设在环状密封圈8内；增效药体填装于前仓壳体2内，增效药体的中心处开设有与射孔弹1内腔及射流通孔7相通的射流通道9；射孔弹1和前仓壳体2同轴设置；增效药体分为上、中、下三层，上层为引燃药10、中层为扩燃药11、下层为爆燃药12，其中，引燃药10占增效药体总重的13%，爆燃药12占增效药体总重的30%，剩余为扩燃药11，引燃药10层、扩燃药11层、爆燃药12层的填装密度依次增大；引燃药层10中心处的射流通道9的竖直截面为倒锥形；引燃药10由高氯酸盐、木粉和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐70%、木粉25%、粘结剂5%；扩燃药11由高氯酸盐、活性金属粉末和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐68%、活性金属粉末20%、粘结剂12%；爆燃药12由高氯酸盐、活性金属粉末、黑索今和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐60%、活性金属粉末30%、黑索今5%、粘结剂5%；增效前仓2和环状密封圈8都是采用PTFE、活性金属粉末和氧化铁粉末为原料，经混合、压制成毛坯后，放入温度为310℃且具有惰性气体保护气氛的烧结炉中烧结而成，其中，各原料含量范围按质量百分比计为：PTFE80%、活性金属粉末17%、氧化铁粉末3%。

其中，粘结剂为硅氧烷树脂；活性金属粉末为铝粉。

实施例3

如图1所示，一种多脉冲增效射孔装置，包括射孔弹1和增效前仓，射孔弹1包括顶部设有导爆索3的弹壳4、设于弹壳4内部的药型罩5以及填装于弹壳4和药型罩5之间的高能炸药6；增效前仓包括前仓壳体2，前仓壳体2的顶部为仓口、底部为凹形底板，凹形底板的中心处开设有射流通孔7；增效前仓还包括环状密封圈8和增效药体，环状密封圈8安置于前仓壳体2的仓口内，射孔弹1的口部插设在环状密封圈8内；增效药体填装于前仓壳体2内，增效药体的中心处开设有与射孔弹1内腔及射流通孔7相通的射流通道9；射孔弹1和前仓壳体2同轴设置；增效药体分为上、中、下三层，上层为引燃药10、中层为扩燃药11、下层为爆燃药12，其中，引燃药10占增效药体总重的10%，爆燃药12占增效药体总重的50%，剩余为扩燃药11，引燃药10层、扩燃药11层、爆燃药12层的填装密度依次增大；引燃药层10中心处的射流通道9的竖直截面为倒锥形；引燃药10由高氯酸盐、木粉和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐65%、木粉28%、粘结剂7%；扩燃药11由高氯酸盐、活性金属粉末和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐70%、活性金属粉末10%、粘结剂20%；爆燃药12由高氯酸盐、活性金属粉末、黑索今和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐50%、活性金属粉末10%、黑索今35%、粘结剂5%；增效前仓2和环状密封圈8都是采用PTFE、活性金属粉末和氧化铁粉末为原料，经混合、压制成毛坯后，放入温度为270℃且具有惰性气体保护气氛的烧结炉中烧结而成，其中，各原料含量范围按质量百分比计为：PTFE60%、活性金属粉末37%、氧化铁粉末3%。

其中，粘结剂为硅氧烷树脂；活性金属粉末为镁粉和铝粉按任意比例混合而成的混合粉末。

实施例4

如图1所示，一种多脉冲增效射孔装置，包括射孔弹1和增效前仓，射孔弹1包括顶部设有导爆索3的弹壳4、设于弹壳4内部的药型罩5以及填装于弹壳4和药型罩5之间的高能炸药6；增效前仓包括前仓壳体2，前仓壳体2的顶部为仓口、底部为凹形底板，凹形底板的中心处开设有射流通孔7；增效前仓还包括环状密封圈8和增效药体，环状密封圈8安置于前仓壳体2的仓口内，射孔弹1的口部插设在环状密封圈8内；增效药体填装于前仓壳体2内，增效药体的中心处开设有与射孔弹1内腔及射流通孔7相通的射流通道9；射孔弹1和前仓壳体2同轴设置；增效药体分为上、中、下三层，上层为引燃药10、中层为扩燃药11、下层为爆燃药12，其中，引燃药10占增效药体总重的18%，爆燃药12占增效药体总重的43%，剩余为扩燃药11，引燃药10层、扩燃药11层、爆燃药12层的填装密度依次增大；引燃药层10中心处的射流通道9的竖直截面为倒锥形；引燃药10由高氯酸盐、木粉和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐50%、木粉40%、粘结剂10%；扩燃药11由高氯酸盐、活性金属粉末和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐63%、活性金属粉末22%、粘结剂15%；爆燃药12由高氯酸盐、活性金属粉末、黑索今和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐30%、活性金属粉末28%、黑索今37%、粘结剂5%；增效前仓2和环状密封圈8都是采用PTFE、活性金属粉末和氧化铁粉末为原料，经混合、压制成毛坯后，放入温度为300℃且具有惰性气体保护气氛的烧结炉中烧结而成，其中，各原料含量范围按质量百分比计为：PTFE70%、活性金属粉末27%、氧化铁粉末3%。

其中，粘结剂为硅氧烷树脂；活性金属粉末为镁粉。

Claims

1.一种多脉冲增效射孔装置，包括射孔弹（1）和增效前仓，射孔弹（1）包括顶部设有导爆索（3）的弹壳（4）、设于弹壳（4）内部的药型罩（5）以及填装于弹壳（4）和药型罩（5）之间的高能炸药（6）；增效前仓包括前仓壳体（2），前仓壳体（2）的顶部为仓口、底部为凹形底板，凹形底板的中心处开设有射流通孔（7）；其特征在于：增效前仓还包括环状密封圈（8）和增效药体，环状密封圈（8）安置于前仓壳体（2）的仓口内，射孔弹（1）的口部插设在环状密封圈（8）内；增效药体填装于前仓壳体（2）内，增效药体的中心处开设有与射孔弹（1）内腔及射流通孔（7）相通的射流通道（9）；射孔弹（1）和前仓壳体（2）同轴设置；增效药体分为上、中、下三层，上层为引燃药（10）、中层为扩燃药（11）、下层为爆燃药（12），其中，引燃药（10）占增效药体总重的10%-20%，爆燃药（12）占增效药体总重的30%-50%，剩余为扩燃药（11），引燃药（10）层、扩燃药（11）层、爆燃药（12）层的填装密度依次增大；引燃药层（10）中心处的射流通道（9）的竖直截面为倒锥形；引燃药（10）由高氯酸盐、木粉和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐50%-70%、木粉25%-40%、粘结剂5%-10%；扩燃药（11）由高氯酸盐、活性金属粉末和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐60%-70%、活性金属粉末10%-30%、粘结剂10%-20%；爆燃药（12）由高氯酸盐、活性金属粉末、黑索今和粘结剂组成，其含量范围按质量百分比计为：高氯酸盐30%-60%、活性金属粉末10%-30%、黑索今5%-40%、粘结剂5%；前仓壳体（2）和环状密封圈（8）都是采用PTFE、活性金属粉末和氧化铁粉末为原料，经混合、压制成毛坯后，放入温度为270℃-310℃且具有惰性气体保护气氛的烧结炉中烧结而成，其中，各原料含量范围按质量百分比计为：PTFE50%-80%、活性金属粉末17%-47%、氧化铁粉末3%；所述的引燃药（10）、扩燃药（11）、爆燃药（12）组成原料中的粘结剂为硅氧烷树脂；所述的扩燃药（11）、爆燃药（12）、前仓壳体（2）和环状密封圈（8）组成原料中的活性金属粉末为镁粉、铝粉中的一种或是二者任意比例的混合粉末。