时间：2023-07-20 次
摘 要：射孔作业是石油钻井行业中完井施工部分的关键环节之一，射孔作业在提高油气井的油气产量方面发挥着重要作用，通过近几十年从业者的不断努力研究，射孔技术取得了长足的进步。这些新技术的研究与应用提高了射孔作业效率、增加了单井产能，保护了油藏，提高了油田的开采寿命。重点介绍了深穿透聚能射孔技术、复合射孔技术、定向射孔技术和欠平衡射孔技术的研究现状，并对油井射孔技术的未来发展进行了展望。
一、概述
射孔作业是石油钻井行业的关键环节之一，经过理论和现场实践验证，射孔作业在提高油气井的油气产量方面发挥着重要作用。目前，国内外的射孔技术一般可分为以下几类：①以提高油气产能为重点的高效射孔，如聚能射孔、复合射孔等。该类射孔技术重点关注如何高效打通地下油气通道，从而提高油井产能，该类射孔技术目前正朝着大爆量、超深穿透、多级火药、气体压裂增效的方向发展；②以保护储层、提高射孔完井效果为重点的射孔技术，主要包括负压射孔、动态负压射孔、超正压射孔和定向射孔；③以提高作业效率为重点的一体化作业流程，包括以提高测试结果可靠性为目的射孔与测试结合、射孔与酸化结合、射孔与压裂结合；④以提高作业安全和效率为目标的作业流程，包括管柱安全设计、作业优化设计、智能导向射孔、射孔监测诊断。射孔技术的开发及相应的作业工艺改变了原有的单纯通过射孔打开套管的采收方式，为油田高效开发增添了新的技术途径。
二、射孔技术现状
1、深穿透聚能射孔
最初采用子弹射孔法穿透套管和水泥环，连接目标区和套管。但是，子弹可以穿透的深度非常有限，经常不能形成有效的弹孔。从业者通过借鉴反装甲武器的穿透能力，发明了深穿透聚能射孔技术。这种射孔技术具有莫霍普特效应，具有良好的破岩能力，可以显著提高射孔深度。
近年来，随着非常规油气资源的深入开发，对射孔的要求越来越高，世界各国的油服企业均加大了深穿透聚能射孔技术的研究攻关力度，射孔的平均穿透深度也得到了大幅增加。最具代表性的型号是美国GEO Dynamics公司研制的4039RaZor HMX射孔弹，对混凝土目标的平均穿透深度可达1600mm左右；美国Owen研发的射孔弹，对混凝土目标的平均穿透深度可达13400mm左右。四川射孔药厂研制的SDP48HMX39-1射孔药对混凝土靶材的平均穿透深度达到1540mm左右，大庆射孔弹厂研制的射孔弹对混凝土靶材的平均穿透深度达到1350mm左右，国内相关厂家的产品性能已经接近国际先进水平。而且，上述的射孔弹平均穿透深度与2000年相比至少增加了一倍以上。表1为国内外几家代表性工厂的同类型射孔弹对混凝土靶材的API测试数据。
表1 国内外相关工厂射孔平均穿透深度
2、复合射孔技术
复合射孔技术通过复合推进剂来提供二次射孔能源。聚能射孔弹在储层与套管之间形成连接通道的同时，复合推进剂被点燃产生高温高压气体，气体通过射孔枪上的排放孔释放，立即流入射孔通道，从而有效地压裂储层。通过该过程，将在近井区形成扩展的裂缝网络，大大提高近井区的流体导流能力。多年的现场作业经验表明，复合射孔技术至少可以使单井产能翻倍。经过近年来持续不断的发展，复合射孔技术已经由原来的一级装药结构逐步演变为二级和三级装药结构，这进一步增加了复合穿孔功率。模拟打靶实践中的平均裂缝长度比之前的结构增加了近一倍。此外，基于延迟点火技术和控火技术的多级脉冲复合射孔已得到开发并应用于油田射孔作业，这种复合技术可以通过控制多级射孔的工作时间进一步提高射孔效率。
迄今为止，复合射孔技术已发展为内置式、悬挂式和环绕式等多种类型，以及深穿透、大口径、高密度射孔等不同的产品系列。此外，还形成了射孔酸化一体化、射孔与DST一体化、水平井一体化射孔等工艺技术。
3、定向射孔
定向射孔利用特殊的定向装置或设施来实现射孔方向的控制，从而优化射孔设计，提高作业效率，主要分为垂直井定向射孔和水平井定向射孔两种。在油藏开发过程中，常规射孔通常沿水平方向打开裂缝。但在实际储层中，储层的最大主应力方向与水平方向之间通常存在倾斜角α1和α2。有时需要利用陀螺仪或旋转射孔管柱，使射孔方向指向主方向，从而降低后期改造储层的压裂压力，降低压裂难度，提高射孔效率；同时，可以增加油藏有效泄油面积，提高油井产能。电缆输送射孔可应用于斜率小于30°的井眼，作业精度和效率远高于油管输送。在长水平井的射孔过程中，为保证作业安全，需要使用相应的单向或双向延迟雷管，通过分段起爆，可实现超长水平间隔一次射孔。
此外，水平井钻井过程中可能存在储层破坏、偏离目标储层等问题。针对这些问题，科研工作者还开发了定向多级复合射孔，目前已成为国内部分油田的首选单井增产方案。2013年，该技术在塔里木油田TZ16-16H井成功应用，使用FS96-13DP29射孔枪、YS95压裂枪组、SDP39HMX29-2射孔弹在井下4190~4293m射孔。通过双级装药将井筒内压力有效时间延长至800ms以上，射孔洞和裂缝总穿透深度超过5000mm。
4、欠平衡射孔
欠平衡射孔用于井筒欠平衡压力条件下。射孔时，井筒与储层之间的压力差有助于产生快速的冲击回流，冲刷井内的爆炸残余物，清理油流道，使近井筒区渗流特征更接近原储层。该技术起源于美国，并在过去几年中在中国取得了进展。目前国内成熟的欠平衡射孔技术采用内部封隔器将每个射孔段分开，根据作业需要在油管内产生欠平衡压力，然后通过落杆或压力起爆等方式在封隔器下实现油管与套管环空的连接，产生射孔层段压力欠平衡，随后引爆射孔。在此操作中，压力表和其他相关配件可以在射孔管柱中安装，对整个作业过程中的井下温度和压力进行监测，并提供地层表皮因子、原始储层压力、渗透率、地层因子和预测产量等。在动态欠平衡射孔中，射孔枪上安装了一个不平衡压力室。射孔产生的爆炸能量会瞬间打开隔室，射孔段环空的流体会流入隔室，从而在套管环空产生欠平衡压力，这种技术更容易产生欠平衡压力，现场操作更方便。
全口径射孔时，通过油管与相应井下工具连接的专用全口径射孔器一起下钻，然后通过深度修正短节定位。当上述装置全部输送到目标层段后，引爆器点燃，射孔弹爆炸。爆炸残留物会自动落入井底。在射孔管柱内形成一条直径与油管相当的通道，方便日后的测井、酸化、压裂或储层测试，无需拔管柱或射孔枪下落井底。这样可以避免重复操作对井下参数的影响，使测试结果更好地反映原始储层性质，地层评价更加准确。全口径射孔技术适宜在起下钻作业困难的深井或超深井、井控难度大的低压气井以及环境恶劣、作业难度大的地区应用。
5、定面射孔技术
目前，国内外常规射孔技术产生的螺旋分布不能有效引导裂缝扩展方向，裂缝只会沿最小主应力方向延伸，裂缝走向不可控。因此，在多级压裂中，极有可能造成不同压裂段的裂缝相互连通，从而影响压裂效果。最好的裂缝网络是裂缝走向垂直于井筒轴线，所有裂缝均沿井筒径向延伸。而近年来新研发的定面射孔改变了传统的射孔螺旋分布，采用特制的超大射孔装药和特殊的装药分布方式。发射孔成簇分布，每簇装3枚射孔弹。穿孔方向形成扇形平面。射孔后，在与套管轴线垂直的一个截面上，套管内壁上会产生多个射孔。该工艺采用超大射孔弹，有利于增加射孔面积，增强井筒与储层的连通能力，有效降低井眼摩擦力，提高油井产能。此外，簇的数量可根据具体水力压裂要求进行设计。这种射孔不仅可以与泵送桥塞工艺相结合，实现水平井多簇面方向射孔，还可以应用于水力压裂前的直井预处理，干扰裂缝走向，降低储层裂缝压力。
2014年，国内某油田的30多口井应用了该射孔技术，射孔成功率100%。在射孔后的水力压裂中，储层裂缝压力明显降低，横向射孔水平井产液、产油量明显高于常规射孔，说明该措施效果良好。
6、射孔测试技术
射孔测试技术近年来也取得了长足的进步。近年来，我国采用了美国石油学会提出的APIRP19B标准混凝土靶材制造和射孔测试方法。这一举措使射孔穿深指标与国际接轨。同时，还建立了复合射孔器单元测试装置和测试方法。2011年，行业标准——复合射孔器通用技术规范及测试方法发布，成为复合射孔测试的基础。
三、射孔技术展望
随着油气开发转向非常规油气藏，如页岩气、煤层气、致密气和致密油，射孔还需要与地质工程与完井工程紧密结合。
对于页岩气、煤层气、超低渗等非常规油气藏，需要进行水力压裂以使油井达到经济生产。对于大斜度井、丛式井、水平井等结构特殊的井种，应重点解决以下问题：①获得更大的泄油面积；②显著降低储层破裂压力，降低水力压裂难度；③引导裂缝扩展方向，诱导水力裂缝与天然裂缝的连接，形成完整的裂缝网络，提高油井产能。针对不同类型的井、不同条件的井、不同油藏的井，制定合理的射孔方案，提高井的产能。为满足新老井贫薄层、边水或底水油区、水淹区无法进行水力压裂的剩余油区的需求，精准定位超深射孔及其技术与定向工具相结合，结合地质条件的能量可控复合射孔新工艺，以及针对不同地层条件的优化设计方法等。
对于深部和超深部油藏，由于井下高温高压，射孔管柱工况十分复杂，常规射孔器和射孔技术无法满足深井安全高效作业的要求。因此，深井耐温射孔装药、高压射孔器、抗硫抗爆射孔工具、深井射孔作业工艺等均有待开发。
对于水平井的多级压裂，簇射孔对压裂的影响很大。如何根据具体井筒和储层条件进行施工，以及后期的评价方法，都是未来的重要研究课题。一些研究机构近年来开展了相关工作，但尚未建立完整的理论体系，需要进一步研究开发。目前很多油田的老井都出现了产量下降的情况，造成老井减产的原因很复杂，包括射孔不完善、地层能量不足，以及在长期生产过程中高分子聚合物和固体颗粒的聚集导致近井区堵塞，那么如何通过再生产来恢复老井的产能，也是射孔技术未来重要的研究方向。
四、结论
随着国内外各类储层的开发越来越多，油气田的开发难度越来越大。对配套技术提出了严格要求，射孔已经从简单的完井方法转变为油藏开发的重要环节，在保护油藏、提高井产能、提高作业效率、提高开发效益等方面发挥着越来越重要的作用：开发非常规油藏，恢复老井产能，延长油田寿命，挖掘剩余油潜力，提高最终采收率。随着未来石油开发领域的扩大，射孔将面临越来越复杂的问题，其发展道路也将变得更加广阔。
