动态负压基本作用机

第2章动态负压基本作用机理自从斯伦贝谢公司在20世纪90年代提出动态负压射孔技术以来，国内外许多学者都对动态负压效应基本作用机理进行了较为深入的研究，但是，到目前为止，人们对动态负压效应基本作用机理的认识还存在较大的分歧，无法形成统一的认识，指导生产实践。特别是在我国国内，对动态负压射孔技术的研究才刚刚起步，只有个别几家油田公司对动态负压射孔技术进行了先导性的模仿实验，对动态负压效应基本作用机理的认识均还处在入门阶段，严重缺乏基础理论支撑和现场经验指导。为了改变这一现状，本章将全面总结有关动态负压效应的所有基本作用机理，并将其划分为宏观作用机理和微观作用机理两大类，进行一次全方位、深层次的讨论和分析。当然，针对动态负压效应基本作用机理还不完善的地方，我也提出了一些新的认识[20]。2.1动态负压效应宏观作用机理2.1.1压实带渗透性能的改善一般情况下，储层本身含有大量的、可移动的微小颗粒，如图2-1所示。起爆射孔时又会粉碎部分岩石颗粒，形成压实带，使射孔孔眼周围岩石中微小颗粒的百分含量更高，如图2-2所示，导致储层渗透性能大幅下降。而动态负压射孔技术熊够在井筒中快速形成一个负压差，使地层能量透过射孔孔眼以流体返排的形式(均匀流)得到瞬间释放，渗流示意图如图2-3所示。在达到最大动态负压之前，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，进而提高孔眼周围岩石的渗透性能。图2-1射孔之前的储层状况图2-2射孔之后储层及孔眼周围的状况图2-3储层流体以均匀流的形式流入射孔孔道示意图2.1.2应力突变致使在射孔孔道周围形成了微裂缝网起爆射孔时，我们知道井筒射孔段压力会骤然升高，射孔孔道的形成过程在本质上也是岩石应力平衡状态受破坏和再平衡的过程。常规射孔技术可能会维持这一新的应力平衡状态进行油气生产，但是，动态负压射孔技术在射孔孔道的形成过程中，又会使井筒压力陡然降低。这种强烈而又迅速的压力波动，可能会使孔道新建立起来的应力平衡状态再次遭到破坏，促使射孔孔道周围的岩石产生脆性断裂或者脱落，从而在射孔孔道周围形成次生裂缝网，提高压实带以及原状岩石的渗透性能。但是，需要说明的是，尽管该种作用机理目前还无法用实验所证实，我们也不能否认该种作用机理存在的可能性。目前该种作用机理所扮演的角色更多的是，对利用动态负压射孔技术的油气井所表现出来的超完善井的特征的一种合理的解释。某油田4口油井的动态负压射孔效果评价结果如表2-1所示。2.1.3起爆压力转移减弱了压实带的强度我们发现前两种作用机理更多牵涉的是动态负压有关储层岩石物性改良方面的作用，如果我们把视线放在动态负压射孔期间井筒内压力的变化过程上，我们又会得出什么样的结论了?众所周知，起爆射孔时，爆轰之后形成的高速金属射流穿透套管、水泥环以及部分储层岩石之后，将会在孔道周围的岩石孔隙中产生约几十兆帕的压力，在该压力的作用下，最终形成了压实带。而动态负压射孔技术在射孔爆轰时，会对残余爆轰能量起到一个主动地“消化”作用，在一定程度上，将会减弱金属射流在孔道周围岩石孔隙中所产生的压力，进而减弱了对孔道周围岩石的压实程度，降低了压实带的强度。该过程也为动态负压后续的一些作用机理起到了一定的协助作用。2.2动态负压效应微观作用机理2.2.1增大了射孔孔道直径为了彻底弄清楚动态负压效应在清除射孔损害方面的作用机理，国外学者进行了大量的实验研究。初步的研究结果显示，动态负压效应的作用机理要比以往人们认识到的方面牵涉的更多。为了使他们的研究成果具有普遍性，他们分别选择了贝雷砂岩岩心、碳褐色砂岩岩心以及碳酸盐岩岩心进行射孔实验。在相同的应力条件以及使用同种类型的射孔枪弹类型的情况下，他们分别对每种类型的岩心进行了两次射孔实验，其中，一块岩心在动态负压条件下进行射孔，另一块岩心在常规静态负压条件下进行射孔。为了能够对比分析经历动态负压效应的射孔孔道与未经历动态负压效应的射孔孔道之间的形态差异，他们对所有射孔岩心进行了纵向剖切。所有切面照片如上图所示，其中图2-4是贝雷砂岩岩心的射孔实验情况，图2-5是碳褐色砂岩岩心的射孔实验情况，图2-6是碳酸盐岩岩心的射孔实验情况〔zoo0从上述切面图片中，他们发现不管是贝雷砂岩岩心、碳褐色砂岩岩心还是碳酸盐岩岩心，经历动态负压效应的射孔孔道(右)都明显比未经历动态负压效应的射孔孔道(左)更加的宽大和畅通。由此他们指出，动态负压射孔时，动态负压效应在一定程度上扩大了射孔孔道的直径。而且这一结论也从反面充分说明了，单一的依靠压实带渗透性能的改善来评价射孔效果是十分片面的。2.2.2延长了有效渗流及流动的孔道长度为了评价射孔枪剩余空腔体积大小对动态负压幅度以及射孔孔道清洗程度的影响，国外学者同样进行了大量的室内测试实验。首先，他们选取了四块同种类型的岩心并编上了相应的序号，如图2-7所示。然后，在相同的外界条件下，利用同种类型的射孔枪和射孔弹，对四块目标岩心进行了射孔实验，其中，每次射孔实验射孔枪剩余空腔体积的大小都不相同。射孔之后，他们同样把这四块岩心在纵向上进行了剖切，切面照片如图5所示。剖切之后，他们分别测量了每块岩心的射孔孔道直径、射孔孔道深度以及直观畅通的孔道长度，测量结果如表2-2所示。分析表2-2中的数据，他们发现，随着射孔枪剩余空腔体积的增大，孔眼直径和孔道深度呈现出了减小的趋势，而畅通孔道长度的百分比却呈现出了急剧增大的趋势。由此他们指出，增大射孔枪剩余空腔体积的大小可以延长畅通孔道的长度。又因为射孔枪剩余空腔体积的大小正相关于动态负压幅度的大小，所以，动态负压效应在本质上延长了畅通孔道的长度。其中，四次试验时井筒压力的变化情况，如图2-8所示。2.2.3减小了压实带厚度国外学者在对射孔孔道周围压实带岩石的抗拉强度大小进行研究时发现，射孔孔道端部的岩石具有最低的抗拉强度‘24]。由此他们指出，在井筒压力骤然变小的情况下，储层流体极易突破该区域的压实带，使储层流体以射流的方式喷出孔道，这不仅可以将大量的射孔残渣冲出孔外，而且，在流体与射孔孔道壁面的不断摩擦中，清除掉了孔道壁面上大量的弱胶结物质，使射孔孔道周围形成了一个粗糙的渗流表面，导致残余压实带厚度大幅减小，从而提高了孔眼周围岩石的渗透性能。该过程的示意图如图2-9所示。通过进一步研究流体射流的作用过程，他们发现当射流母线与射流轴线之间的夹角为a引2.5。时，压实带清除效果较好，当a12.5。时，压实带清除效果较差。这主要是因为当a12.5。时，流体射流流速较快，而且射流流速衰减缓慢，这不仅提高了孔眼射流与射孔孔道壁面之间的摩擦幅度，而且也延长了二者相互作用的持续时间，因此，对压实带的侵蚀程度也就相对较高。所以，他们建议在射孔施工时，所射孔眼端部应该具有一个较小的锥角，这样才能够充分利用储层流体高速冲洗的优点。2.3动态负压效应基本作用机理新认识通过前面的论述，我们发现目前有关动态负压效应基本作用机理的研究成果，全部都侧重于描述动态负压效应在改善储层岩石物性特征和射孔孔道形态特征方面所起到的作用，却对动态负压射孔期间，井筒流体的动态特征对减小射孔损害方面的作用机理只字未提。为了完善动态负压效应的基本作用机理，我基于大量的相关基础文献资料，渐渐形成了自己有关动态负压效应基本作用机理的新认识，并且利用现场实际试验数据论证了新机理的正确性。2.3.1新机理提出的基本依据(1)聚能射孔弹气体损害研究以前，国内外学者普遍认为，聚能射孔器造成储层伤害的主要原因是，聚能射孔弹爆轰之后所产生的金属射流在射孔孔道周围的岩石表面上形成了一层一定厚度的压实带，该压实带具有高孔低渗的特征，从而严重影响了油气井的产能和注入井的注入效率[25]。目前，也有国内学者认为，射孔弹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[26]。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。通过不断的进行理论研究和大量的室外试验，我对爆轰气体损害的微观作用机理有了一定的认识，为动态负压效应基本作用机理的研究做好了准备。(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。该过程可以分为三个阶段:开坑过程、准定常过程和终止过程[27]。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。此阶段产生的孔深很小，形似口袋。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，大部分孔道属于此阶段，为射流侵切的主要过程。在终止阶段，随着射流速度的逐渐较低，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。通过对射流造孔的三个阶段分析，我们可以得出，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，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。(3)动态负压值的大小与初始井筒压力的关系动态负压值大小与井筒初始压力到底有没有内在的联系呢?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[28-37]，但是，国内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‘38-39]。国外的研究结果为什么会与国内的试验结论相冲突呢?唯一的原因就是，动态负压射孔的作用机理还不够完善。通过对以上几方面内容的综合分析，我渐渐形成了自己有关动态负压效应基本作用机理的新认识，我将在下一节做详细的论述。2.3.2动态负压效应作用机理新认识按照能量守恒原理，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。对常规静态负压射孔来说，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，常规静态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。总而言之，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地缓冲作用，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。动态负压射孔井筒压力变化过程如图2-10所示。除此之外，井筒动态环境还存在以下三方面的作用机理:(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。最大限度的将射孔残渣带出孔外，减小对压实带渗透率的损害，提高了射孔孔眼的流动效率。如图2-11所示。图2-10动态负压射孔时井筒压力随时间的变化曲线(2)井筒内射孔管串与套管之间的高流速流体，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，较好的清洁了射孔孔眼，改善了压实带渗透率。(3)在一个合适