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复合射孔在油气井开采中的压裂机理

陶亮

西安通源科技公司基础研究部，西安710065

摘要：复合射孔在油气井开采中的一个重要作用机理是地层压裂，而地层压裂的又是一个

复杂的三维断裂问题，直到目前仍然无法验证地层压裂的效果。本文在载荷分布的基础上着

重研究地层压裂的机理，分析在无限大的地层边界条件下裂纹起裂、扩展和止裂机理，以及

可能形成的裂纹扩展形态，指出了地层压裂的数值模拟的可能性。

关键词：复合射孔、地层压裂、断裂韧性、裂纹扩展、裂纹形态

FormationFractureMechanismofPerforationwithPropellantintheOilFieldApplication

TaoLiang
Xi’anTongYuanPetrol-tech.Co.,Ltd.
Abstract:Animportantactionmechanismoftheperforationwithpropellantisformationfracture,
buttheeffectofformationfracturecannotbeverifiedbytodayforitscomplicate
three-dimensionalfracturemechanismandinvisibility.Inthispaper,themechanismofformation
fractureisstudiedonthebaseofloadingdistribution.Onaconditionofinfiniteboundary,these
crackshapeandmechanismofcrackinitiation,crackpropagationandcrackarrestareanalyzed,
andthenthepossibilityofnumericalsimulationonformationfracturealsoisdetermined.
Keywords:Perforationwithpropellant,Formationfracture,Fracturetoughness,Crack
propagation,Crackshape

1、引言

复合射孔的压裂技术涉及很多学科领域，上世纪八十年代，美、苏等国先后动员许多高

层次科研机构进行了大量的地面试验和机理研究。美国以技术储备角度开展了这项的研究，

前苏联在石油现场进行高能气体压裂试验，现场应用比美国更趋成熟［1］，我国这项技术上

的研究和应用起步较晚，在理论研究上还有一段差距。

从油田的应用角度出发，了解高能复合射孔的作用范围，对套管和水泥环的影响程度，

压裂效果的具体参数以及夹层枪的安全性等是理所当然的事情。虽然国外射孔服务公司已经

能够解释这类问题［2,3,4］，但是国内服务单位却在这方面有所欠缺，主要欠缺了基础性的理

论研究，因此国内单位一方面要投入人力和物力在理论研究上迎头追赶，另一方面也可以通

过学习来引进国外的理论研究成果。

复合射孔是一个能量载荷分布的动态过程，因此谈到能量分布可以从两个角度说，即一

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个时间发展历程和一个空间分布状态，而影响着两方面的因素又很多这里无法一一列举。本

文将就以上方面进行综述复合射孔的压裂效果，但也只是从机理出发，距参数的量化阶段还

有一段路程，只希望能够达到抛砖引玉的目的。

2、载荷分布状况

2.1载荷的时间发展历程

目前有一点已经得到了共识，那就是高能复合射孔的作用过程。也就是射孔弹射流过程

持续20～45μs的时间，所耗的RDX能量约占30％～40％。其余能量则以爆生产物和高温

高压的爆炸波去点燃火药，并且耦合在火药燃烧过程中，来实现一个较低峰值和较长延续时

间的动态压力平台。

实践中常用的井下环空P-T测试曲线就是高能复合射孔中某阶段的一个能量的时间分

布形式（如图1所示）。理论上这个中间过程可以内推得到枪内的爆炸压力；外推可以得到

套管和层岩石的压力响应。但是实际上这远不能反映高能复合射孔能量分布的细致特征，因

为它只是远场的动态压力矢量的一个分量，同时也因为现有的井下P-T仪采样率偏低，爆炸

冲击波峰值可能抓不住，其结果不言而喻。而本公司组成的地面测试装置系统40MHz的采

样速率，能够更真实反映射孔端截面的正面冲压载荷及其时间的发展历程，如图2所示[5]。

图1井下实际作业测试的P-t曲线图2地面模拟实验测试的P-t曲线

当然，装药量、装药结构、弹型、枪型、有无枪身和地质条件的不同，都会造成压力峰

值和作用时间上的差别，其原因这里就不一一细述了。

2.2载荷的空间分布状态

上文已经提过远场的动态压力场影响了，归结下来就与