负压射孔

2.2 动态负压射孔机理

动态负压射孔技术是一种在射孔瞬间清理射孔孔道的新方法，其原理是在射孔器的上部或下部连接一特殊结构的快速降压机构，该机构在射孔后的瞬间打开，吸收井筒内的残余爆炸能量以及液柱压力，使井筒压力瞬间下降，产生动态负压效果[2]。因为破损带岩石变得疏松，其强度远低于周围的岩石，一股突然产生涌流足以产生超过破损带岩石强度的张力，从而导致岩石破碎并冲走孔道中的冲塞物。动态负压射孔的两个最重要因素是压降的大小和速度。在动态负压射孔例子中，井筒压力一开始与地层孔隙压力平衡，然后迅速下降。在静态负压例子中，井筒压力一开始低于地层压力，射孔引爆发射出高速气流后井筒压力迅速上升，然后开始慢慢下降，形成负压条件。动态负压射孔过程中达到峰值压差时的张应力超出了射孔损害带的岩石强度，损害带的岩石破碎，成为松散碎屑。岩石强度和流动强度的交汇部分表示涌流冲洗后形成的孔道宽度。静态负压射孔中典型的缓慢压差几乎无法清理孔道。而使用动态负压射孔，则能更好地清理碎屑[2]。

[2]Dennis B，Larry B，Lian J H，et al．动态负压射技术进展与应用[J]．油

田新技术，2009，21(3)：4-16．

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而，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，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[ 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、更全而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。

i. i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而进行造孔的同时，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州。有学者认为[11]，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65 MPa。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而，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、准定常过程和终比过程曰。

（1）在开坑阶段，射流头部高速碰撞静比的靶而，在界而处形成高温、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，靶板自由而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。射流接触的靶而己经有速度，界而压力显著降低。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）在终比阶段，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叫，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，常规负压射孔是在己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个方而的作用机理。

(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

流的终比阶段，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)。

(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冰力射流泵原理)，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个方而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，在泄压而积一定的情况下，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方而的作用效果。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，只不过它是以气相一空气的形式存在，井筒初始压力应为0. 1 MPa 。

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，从而对储层岩石优其是压实带)孔隙及裂缝表而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。

（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（图5)，从而大幅提高射孔孔眼周围压实带的渗透率。