CN213743362U - 一种超燃自适应射孔波动致裂增效系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型具体涉及一种超燃自适应射孔波动致裂增效系统，其特征在于包括超燃射孔系统管柱、超燃串联装药模块、超燃自适应释能射孔弹、超燃续能装药模块、超燃射孔系统弹架和导爆索，所述超燃自适应释能射孔弹安装于超燃射孔系统弹架内，超燃串联装药模块扣于超燃自适应释能射孔弹的药型罩开口位置，超燃续能装药模块固定在超燃自适应释能射孔弹周围的超燃射孔系统弹架上，导爆索连接各超燃自适应释能射孔弹，超燃串联装药模块、超燃自适应释能射孔弹、超燃续能装药模块、超燃射孔系统弹架和导爆索组合成一体后装入到超燃射孔系统管柱内。本实用新型较同类型射孔技术具有明显的地层致裂导通效果。

Description

一种超燃自适应射孔波动致裂增效系统

技术领域

本实用新型属于油气勘探开发技术领域，具体涉及一种超燃自适应射孔波动致裂增效系统。

背景技术

目前，油气射孔技术主要分为活能射孔弹技术、复合式射孔技术、分体式复合射孔技术和一体式复合射孔技术。

活能射孔弹技术

活能射孔弹技术也称自反应药型罩射孔弹技术，是聚能射孔技术发展的一个方向，这种技术的主要特征是射孔弹内部使用的药型罩在射孔弹炸药药柱爆轰时可自行反应，药型罩在高温高压作用下不仅可以形成穿孔，同时也可与井下介质发生二次反应，该技术具有显著的孔道改造效果。但该技术在追求聚能射流二次能量释放的同时，对射流侵彻穿深的损失也随之表现出来。因此在国外，该技术主要还是用于一些适应地层的射孔作业。但相较于其他复合射孔技术，射孔弹的技术升级是实现射开地层、导通油路最为直接而高效的途径之一。如何进一步发挥这类技术的优势，同时降低该技术的技术缺陷，是完善该技术的发展之路。然而，油井套管及射孔管柱空间有限，产品设计尺寸受限，所携带的爆炸能量和反应物质也随之受限，同时考虑材料成本、使用经济性，因此射孔弹的技术提升受到多方面因素制约。基于当前技术环境，我们仍需要在保证良好地层穿透效果的前提下，进行自反应药型罩及相关弹体药剂的技术革新和升级。

复合式射孔技术

发展复合式射孔技术是聚能射孔技术升级开发的主要途径之一，它丰富了单一射孔只射开孔道的功能，提高了射孔施工的使用效果。复合射孔是一种能够在不改变射孔弹基本结构和常规管柱施工方式的实现增效射孔的技术途径。通过在射孔枪内、射孔枪外和套管内环形空间增加各种形式的火药或推进剂装药模块，在射孔弹爆炸后被激发爆燃产生高能高压气体，通过射孔孔道对地层形成持续压力载荷，从而在作用地层产生和延伸裂缝，提高油气导通能力。常见的复合式射孔分为分体式复合射孔技术和一体式复合射孔技术。

分体式复合射孔技术

分体式复合射孔技术，主要在常规射孔器底部或者中部安装压裂器，射孔器与压裂器之间是基本隔离状态。这样装配的好处是，射孔器与压裂器属于相对独立的单元，射孔弹爆炸与压裂药爆燃之间不会容易形成相互干扰，枪体安全性较高。由于装药量较大，二次爆燃气体压裂做功持续时间较长，对地层压裂具有一定好处。但该技术方案存在几个方面的缺点，一是做功效率低。压裂药与射孔孔眼的纵向距离大，压裂药的二次爆燃产生的压力很难直接作用于地层孔道，工作效率较低。二是装药多能量大，存在套损风险。虽然可产生较长时间的压力载荷，但可能会对油井环套及固井水泥环会产生一定程度的损伤，严重的可造成套管变形及错断。因此分体式复合射孔技术与一体式复合射孔技术相较而言，在做功效率、井下环境影响方面都有一定程度的不足。

一体式复合射孔技术

一体式复合射孔技术是目前使用较为广泛的复合增效类射孔技术，它主要分为外置式和内置式两种射孔技术表现形式。

其中，外置式射孔工艺即是在射孔器外部包裹上一层含能材料，当射孔器起爆穿孔后，高温高压将外层含能材料引燃，在枪套、空间内形成高压燃气流，并沿射孔孔道进入到地层。外置式复合射孔的好处是二次做功材料被设置于射孔段的套管内，射孔弹射孔后，高压气体可以马上进入射孔孔道内，对地层的有效动力加载有所提高。但该技术存在以下不足之处，一是在射孔装置下放过程中，套管内壁有时会剐蹭外套式药柱，容易引起药柱提前爆燃而造成井下事故。二是高压气体对井筒直接冲击与侵蚀，也会造成井筒和地层受到一定程度的损伤。因此这种射孔方式最早在国外兴起，后传入我国使用，考虑到施工安全性以及对井筒和地层的影响，使用该技术进行射孔作业都比较谨慎。

内置式复合射孔技术是一种射孔弹与压裂药紧密组合的整体性较高的增效类射孔技术，该技术是将压裂药与射孔弹装配在同一个射孔器内，随着射孔弹的起爆，压裂药被点燃并快速反应。早期开发的压裂药被安放于射孔弹之间，射孔弹被起爆后，激发弹间的增效压裂药，瞬间产生大量高温高压气体，从射孔枪孔眼处喷出，进入环空和地层。由于高压气体较集中于孔道做功，再加上有射孔枪的保护，内置式复合射孔技术不仅能提高射孔效能，还具有较好的安全性。但是这类技术也存在枪体容易变形、孔道二次污染的情况，致使该技术在推广应用中存在一定局限性。

随着复合式增效射孔技术在中国油田应用的逐步深入，为了进一步提升射孔技术的射孔效能，丰富射孔功能，上世纪90年代初，国内外发展了目的相同而技术途径不同的两种射孔孔道改造技术。在国外以双金属反应药型罩技术为主，国内则结合现有射孔工艺技术，将串联战斗部设计理念应用到聚能射孔技术领域，开发了前置复合射孔技术。

前置复合射孔技术的具体表现，是一种安装在射孔弹口部射流方向上的串联装药技术，属于内置式复合射孔范畴。该装药主要以复合火药推进剂材料为主，作用时利用聚能射孔的定向爆压环境，可将推进剂药剂或其反应产物推入射孔孔眼。这样设计的好处是复合装药到套管射孔孔眼距离明显减小，提高了能量传输效率，孔道改造效果较常规复合增效射孔方式有较大提升。

目前主要有两种串联装药结构方式。一种是以含能材料制作功能药剂的串联含能装药增效射孔技术；另一种是以钝感或低易损性材料制作功能药剂的串联低易损装药增效射孔技术。由于两种技术功能药剂的材料性质不同，其在井下做功方式也略有不同。

串联含能装药增效射孔技术，有二次反应完全，做功冲能大，孔道改造程度高，孔道清洁开放等优点。但该技术装药激发感度较高，爆炸时间间隔较小，容易对金属射流形成干扰，从而在一定程度上限制了它的使用范围。

串联低易损装药增效射孔技术，需要借助井下爆炸环境，形成二次易燃粉尘燃爆。其好处是在于两次波峰间隔时间较长，压力场分布比较均匀，装药对射流影响较小。不足之处是射孔孔道改造能力较弱，压力载荷持续性差，爆燃反应不完全，地层致裂改造程度有限等方面。

结合分析以上背景技术，无论哪种射孔增效方案，都需要在结合自身优缺点的情况下完善射孔体系，使一次射孔作业即可以对地层进行多次高效动力加载，实现对地层的穿、撑、裂、洗、冲、震等多个功能方面的技术突破，达到改善储层导流能力、提高油气产量的目标。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种超燃自适应射孔波动致裂增效系统，其解决了射孔弹技术与串联复合式装药技术的做功协同和能量匹配问题，实现对地层的波动性动力加载，实现射孔致裂一体化。

本实用新型是通过如下技术方案来实现的：

即一种超燃自适应射孔波动致裂增效系统，其特征在于包括超燃射孔系统管柱、超燃串联装药模块、超燃自适应释能射孔弹、超燃续能装药模块、超燃射孔系统弹架和导爆索，所述超燃自适应释能射孔弹安装于超燃射孔系统弹架内，超燃串联装药模块扣于超燃自适应释能射孔弹的前端药型罩开口位置，超燃续能装药模块套装在超燃自适应释能射孔弹的弹身外部，固定在超燃自适应释能射孔弹周围的超燃射孔系统弹架上，导爆索连接各超燃自适应释能射孔弹，超燃串联装药模块、超燃自适应释能射孔弹、超燃续能装药模块、超燃射孔系统弹架和导爆索组合成一体后装入到超燃射孔系统管柱内。

进一步的，本实用新型的超燃自适应释能射孔弹由内向外依次包括自适应活性金属药罩、炸药药柱和双层含能壳体，双层含能壳体包括一体的中空圆柱段和中空锥台段，锥台段上端开口，自适应活性金属药罩为锥形罩，其底部固定在双层含能壳体的圆柱段的下部内壁上，将圆柱段下端封死，炸药药柱位于自适应活性金属药罩和双层含能壳体之间的空腔内，双层含能壳体的外层为碳钢壳体，内层为含能材料层。

进一步的，本实用新型的超燃串联装药模块包括一体的中空圆筒段和中空锥台段，其上下两端开口设计，其扣合安装在超燃自适应释能射孔弹的上端，其圆柱段的内径与超燃自适应释能射孔弹的双层含能壳体的圆柱段的外径匹配，锥台段的内腔与超燃自适应释能射孔弹的双层含能壳体的锥台段匹配，其锥台段前端开口大于超燃自适应释能射孔弹的双层含能壳体的锥台段前端，超燃串联装药模块为双层结构，包括外层的壳体和内层的装药层。

进一步的，本实用新型的超燃续能装药模块为环状结构，其套装在超燃自适应释能射孔弹的双层含能壳体的圆柱段上，其内径与超燃自适应释能射孔弹的双层含能壳体的圆柱段的外径匹配。

进一步的，本实用新型的超燃续能装药模块为环状双层结构，包括外层的壳体和内层的装药层。

本发明的的超燃串联装药模块和超燃续能装药模块套装在超燃自适应释能射孔弹外部，本实用新型的超燃串联装药模块的圆柱段的外径和超燃续能装药模块的外径相同。

本实用新型的超燃自适应释能射孔弹的自适应活性金属药罩，根据爆轰反应环境及活性催化程度进行二次射流反应，即是一种可控的金属反应药罩技术。当射孔弹爆轰压垮药型罩形成射流进行穿孔时，被钝化处理的超燃串联装药模块的中心部分药柱，被延迟激发。在射流物质大部分通过中心装药预留孔之后，在温度和压力的驱使下，钝化层被剥离，中心催化装药随射流物质带入孔道，并在其过程中开始发生催化反应。随着孔道内催化装药不断添加，金属间活化反应越加充分，逐步使前期进入的射流物质变成反应物质，一直延续到孔道深处，在高应变速率环境下使射流穿孔的同时扩充孔道。

本实用新型的自适应活性金属药罩采用旋粉、烧结压制工艺制得。

本实用新型的自适应活性金属药罩反应及被催化的效果机理是，自适应活性金属药罩的金属及金属氧化物通过不同比例的混制，以及前仓装药催化氧化处理的深度两个因素来决定药型罩催化效果，也就是控制氧化还原反应的进度。

本实用新型的双层含能壳体，在不增加射孔弹原有装药量的基础上，提升射孔弹爆轰等级，提高射孔弹的穿孔性能。其采用粉末冶金工艺技术贴合压制而成。

本实用新型在射孔弹主装药外加入可以释能的金属材料体系，可以在不增加炸药量的基础上，能够有效提高射孔弹主装药的爆炸总能量，由原来的单质炸药爆轰反应，转变为单质爆炸与温压爆轰的复合型爆轰体系，有效地提高了射孔弹金属射流的汇聚效果，从而提高穿孔效果。

本实用新型的超燃串联装药模块，能在射流穿孔过程后期在射孔孔道及近井地层实施持续的超压爆燃做功，并对自适应活性金属药罩的反应过程起到催化控制的关键作用。

本实用新型的超燃串联装药模块与射孔弹一体化设计，根据数值模拟的射孔弹药型锥角尺寸及聚能射流汇聚过程，设计串联装药模块的装药尺寸规格，使装药药面与聚能爆轰压力场相耦合。装药模块采取环状多层装药模式，实现多级别能量谐振传导，吻合聚能射流形成过程的爆轰传导环境，更多地释放动能脉冲加载于地层孔道中。

本实用新型的串联装药模块的内部装药采用悬浮造粒、浇筑成型、光固化等多种现行火炸药制备工艺制得，内部装药制成后钝化处理。

本实用新型的超燃续能装药模块与超燃射孔系统弹架为一体化设计，其主要作为孔道释能材料的后续补充能量载体。当处于孔道中的反应物质不能从射孔爆轰环境和井下介质中获得足够的反应条件和能量，续能装药模块可以快速补充地层后续孔道做功反应所需能量，不但实现了强化射孔多维做功的目的，而且降低了射孔系统安全风险等级。

本实用新型的超燃续能装药模块，根据装药强度不同，可以设置壳体、也可以不设置壳体。当设置壳体时，壳体与超燃串联装药模块的壳体配方相同。

本实用新型的超燃射孔系统管柱是射孔技术实现的重要载体，根据射孔作业的工艺需求有多种管柱设计方向，如有枪身射孔器、无枪身射孔器等。新型射孔系统的内部固定弹架，为射孔弹与增能模块系统的快速装配固定支架，该固定支架提供稳定的系统模块配置平台，同时可实现快速安装，提高作业效率。

使用本实用新型，可以在一次管柱作业条件下，实施对孔道的改造，以孔道为应力释放点对周边岩层进行多频率、大峰差的波动性动力加载，同时该系统的振幅大小、频率可根据设计施工要求进行优化装配，针对不同岩层、井况、施工工艺设计系统参数，极大地满足施工需求，从而最大化发挥射孔增效提产效果。

本实用新型较同类型射孔技术具有明显的地层致裂导通效果，模拟井段射孔裂隙发育度较同类型射孔技术提高了2倍以上，射孔孔道改造能力较其他射孔技术提高了1倍以上，孔道改造深度较其他同类射孔技术提升10％以上，孔道二次污染解除率达到90％以上，较其他射孔技术提升了近40％。采用新型射孔系统技术后，一些老、旧、废油气井逐步恢复了产能，综合评价后，采用该技术提振某区块落后产能的应用效果较其他射孔技术提升了30％以上，一些特别措施改造井产能表现较周边未采取措施井提高了50％～60％以上。这就意味着在不增加较大技术成本的前提下，使油田不可动用或难动用储量得到了充分开发，进一步挖掘油田的开发潜力。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型超燃自适应释能射孔弹联炮示意图；

图3为超燃射孔系统管柱的结构示意图；

图4为本实用新型超燃串联装药模块的立体结构示意图；

图5为本实用新型超燃串联装药模块的剖面结构示意图；

图6为本实用新型超燃自适应释能射孔弹的立体结构示意图；

图7为本实用新型超燃自适应释能射孔弹的剖面结构示意图；

图8为本实用新型超燃自适应释能射孔弹的自适应活性金属药罩的立体结构示意图；

图9为本实用新型超燃自适应释能射孔弹的自适应活性金属药罩的剖面结构示意图；

图10为本实用新型超燃自适应释能射孔弹的双层含能壳体的立体结构示意图；

图11为本实用新型超燃自适应释能射孔弹的双层含能壳体的剖面结构示意图；

图12为本实用新型超燃续能装药模块的立体结构示意图；

图13为本实用新型超燃续能装药模块的剖面结构示意图；

图14为本实用新型超燃射孔系统弹架的立体结构示意图。

如图所示：1.超燃射孔系统管柱；2.超燃串联装药模块；201.外层壳体；202，内层装药层；3.超燃自适应释能射孔弹；301.自适应活性金属药罩；302.炸药药柱；303.双层含能壳体；30301.外层壳体；30302.含能材料层；4.超燃续能装药模块；401.外层壳体；402.内层装药层；5.超燃射孔系统弹架；6.导爆索。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图6-图11所示：超燃自适应释能射孔弹3由内向外依次包括自适应活性金属药罩301、炸药药柱302和双层含能壳体303，双层含能壳体303的外层壳体30301为碳钢壳体，内层为含能材料层30302。双层含能壳体303包括一体的中空圆柱段和中空锥台段，锥台段上端开口，自适应活性金属药罩301为锥形罩，其底部固定在双层含能壳体的圆柱段的下部内壁上，将圆柱段下端密封，炸药药柱302位于自适应活性金属药罩301和双层含能壳体303之间的空腔内。

如图4、图5所示：超燃串联装药模块2包括一体的中空圆筒段和中空锥台段，其上下两端开口设计，其扣合安装在超燃自适应释能射孔弹3的上端，其圆柱段的内径与超燃自适应释能射孔弹3的双层含能壳体303的圆柱段的外径匹配，锥台段的内腔与超燃自适应释能射孔弹3的双层含能壳体303的锥台段匹配，其锥台段前端开口大于超燃自适应释能射孔弹3的双层含能壳体303的锥台段前端，超燃串联装药模块2为双层结构，包括外层壳体201和内层装药层202。

如图12、图13所示：超燃续能装药模块4为环状结构，其套装在超燃自适应释能射孔弹3的双层含能壳体303的圆柱段上，其内径与超燃自适应释能射孔弹3的双层含能壳体303的圆柱段的外径匹配，超燃续能装药模块4为环状双层结构，包括外层壳体401和内层装药层402。

下面以某油井为例，详细说明本实用新型的应用。

某油井，井深3500m，油层厚度100m，油层位置：2435.7～2535.6m，属于中低渗透区块，投产后一直稳产，经过多年开采，地层结垢堵塞严重，由于曾经多次措施改造，近井地带污染严重，储量急剧下降。到采用本实用新型的增效系统改造前，该井已处于关停检修状态，通过后期精细测试，该区块仍有较大储量开发潜力，为了进一步挖掘该区块潜在油气资源，计划在该井进行补射孔措施改造作业，油田相关技术部分认真分析、综合评价了该技术对储层改造的显著效果，同时考虑到了老井井况的现实条件，决定采用超燃孔自适应射孔增效技术，打开被污染的储层。

由于措施井是老井解堵，地下结构堵塞严重，经系统优化选材，本实施例1相关设计组分及质量百分比如下：

超燃自适应释能射孔弹3的自适应活性金属药罩301组分及质量百分比为：铜60％；钨12％；锆4.5％；镍2％；铋5％；辅助金属材料13％，其中铝5％、铁3％、钼5％；辅助金属氧化物为氧化铜3％；润滑剂为石墨0.5％。

多层含能壳体303的外层壳体30301为碳钢，内层为含能材料层30302，含能材料的组分及质量百分比为：金属材料为铁65％；氧化剂为过氧化钡25％；胶黏剂为海因环氧树脂10％。

超燃串联装药模块2和超燃续能装药模块4的外层壳体的组分及质量百分比为：热塑性树脂95％，其中聚甲基丙烯酸甲酯92％、ABS 3％；润滑剂为二氧化硅5％。

超燃串联装药模块2的内部装药层202的组分及质量百分比为：氧化剂为氧化铜10％；还原剂83％，其中铝40％、铁19％、镍24％；胶黏剂为环氧树脂5％；辅助填充料为碳酸钙2％。

超燃续能装药模块4的内部装药层402的组分及质量百分比为：氧化剂42％，其中高氯酸铵9％、高氯酸钾16％、过氧化钙15％、氧化铜2％；还原剂29％，其中铝17％、铁10％、硼2％；胶黏剂11％，其中聚氨酯3％、环氧树脂8％；辅助填充料为碳酸钙2％；阻燃剂为硼酸锌10％；抗结块剂为磷酸镁6％。

如图1、图2、图3、图14所示：本实用新型将上述各模块制成后，将超燃自适应释能射孔弹3安装于超燃射孔系统弹架5内，超燃串联装药模块2扣于超燃自适应释能射孔弹3的药型罩开口位置，超燃续能装药模块4固定在超燃自适应释能射孔弹3周围的超燃射孔系统弹架5上，导爆索6连接各超燃自适应释能射孔弹3，超燃串联装药模块2、超燃自适应释能射孔弹3、超燃续能装药模块4、超燃射孔系统弹架5和导爆索6组合成一体后装入到超燃射孔系统管柱1内。

经48小时的安全无误施工，射孔完成率达到了100％，地层表皮系数降低到2.3。措施后当日达产液300方/天，日产油260方/天，较相邻常规措施改造井80方/天表现，该技术的增产效果显著。

以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种超燃自适应射孔波动致裂增效系统，其特征在于包括超燃射孔系统管柱、超燃串联装药模块、超燃自适应释能射孔弹、超燃续能装药模块、超燃射孔系统弹架和导爆索，所述超燃自适应释能射孔弹安装于超燃射孔系统弹架内，超燃串联装药模块扣于超燃自适应释能射孔弹的前端药型罩开口位置，超燃续能装药模块套装在超燃自适应释能射孔弹的弹身外部，固定在超燃自适应释能射孔弹周围的超燃射孔系统弹架上，导爆索连接各超燃自适应释能射孔弹，超燃串联装药模块、超燃自适应释能射孔弹、超燃续能装药模块、超燃射孔系统弹架和导爆索组合成一体后装入到超燃射孔系统管柱内。

2.根据权利要求1所述的超燃自适应射孔波动致裂增效系统，其特征在于超燃自适应释能射孔弹由内向外依次包括自适应活性金属药罩、炸药药柱和双层含能壳体，双层含能壳体包括一体的中空圆柱段和中空锥台段，锥台段上端开口，自适应活性金属药罩为锥形罩，其底部固定在双层含能壳体的圆柱段的下部内壁上，将圆柱段下端密封，炸药药柱位于自适应活性金属药罩和双层含能壳体之间的空腔内，双层含能壳体的外层壳体为碳钢壳体，内层为含能材料层。

3.根据权利要求1所述的超燃自适应射孔波动致裂增效系统，其特征在于超燃串联装药模块包括一体的中空圆筒段和中空锥台段，其上下两端开口设计，其扣合安装在超燃自适应释能射孔弹的上端，其圆柱段的内径与超燃自适应释能射孔弹的双层含能壳体的圆柱段的外径匹配，锥台段的内腔与超燃自适应释能射孔弹的双层含能壳体的锥台段匹配，其锥台段前端开口大于超燃自适应释能射孔弹的双层含能壳体的锥台段前端，超燃串联装药模块为双层结构，包括外层壳体和内层装药层。

4.根据权利要求1所述的超燃自适应射孔波动致裂增效系统，其特征在于超燃续能装药模块为环状结构，其套装在超燃自适应释能射孔弹的双层含能壳体的圆柱段上，其内径与超燃自适应释能射孔弹的双层含能壳体的圆柱段的外径匹配。

5.根据权利要求4所述的超燃自适应射孔波动致裂增效系统，其特征在于超燃续能装药模块为环状双层结构，包括外层壳体和内层装药层。

6.根据权利要求3或4或5所述的超燃自适应射孔波动致裂增效系统，其特征在于超燃串联装药模块的圆柱段的外径和超燃续能装药模块的外径相同。

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