使用动态负压射孔对压实带损伤清除机理的研究

为什么清理岩石中的细小通道很重要

现代社会高度依赖地下能源系统——从油气开采到地热利用，甚至未来的碳封存。这些都依赖人工开凿的小通道，将井筒与深部岩层连接起来，使流体能够自由流动。实际上，这些通道在形成时常常被堵塞或被压缩闭合，阻断流动，造成昂贵井眼的产能损失。本研究探讨了一种新技术，称为动态负压射孔（DNPP），它通过短促而强烈的“吸力”脉冲清除这些损伤，并建立了详细模型以理解其最佳作用机理与时机。

炸开通道为何会造成堵塞

工程师在射孔时使用定向装药，金属射流以数千米每秒的速度穿透套管、水泥和岩石。射流快速钻出狭窄通道的同时，也会压碎并压实周围岩体。结果形成分层结构：通道内松散的碎屑、渗透率显著降低的致密压实带，以及更外侧未受损的岩石。压实带像一层坚硬的、堵塞的皮肤，阻碍流体流动，因此尽管射孔到达了优质储层，井的性能仍可能不佳。松散碎片和细砂进一步阻塞孔隙，也使后续处理（如注水、酸化或压裂）更为复杂。

用短促吸力脉冲清除损伤

DNPP 通过在装药后在射孔区有意制造短时负压（吸力）来解决这一问题。通过降低井内液位并精心设计射孔枪中充气腔的体积，操作人员使井筒压力在瞬间降至低于周围储层压力。这样形成的压力差会促使含层流体涌入新通道，将压实碎屑冲刷出去。作者首先建立了一个数学模型，追踪气体膨胀、液体涌入以及地层响应下井筒和射孔枪内压力随时间的变化。他们的计算表明，负压峰值约可达20–50 MPa，持续仅1–5毫秒，从而产生一次强而短的清洗事件。

用虚拟实验窥探岩心内部

由于在实验室中几乎不可能完全重现井下所有条件，研究团队转而使用多物理场三维数值模拟。他们构建了一个将岩石力学与多孔介质流动耦合的模型，代表井筒、射孔通道和压实带。岩石行为由连接应力、孔隙度和渗透率的方程描述，而一项破坏准则则指示何时压实岩石被弱化或破碎到可视为已被清除的程度。模拟采用真实的岩性参数、应力和压力历程，并对数值稳定性及已发表的物理实验进行了校核，显示在被清除的损伤量上与实验结果有良好一致性。

实际被清除的区域——以及不能清除的部分

虚拟实验显示，清理最有效发生在射孔通道的中段。在最大负压瞬间，压实带内的流速相比初始状态跃升两到三个数量级，中深部流动尤为剧烈。大部分压降发生在损伤带内部，因此大部分流入流体来自其孔隙，增强了该处的冲洗效果。在数十到数百毫秒内，这一区域的压实岩体逐步失稳并打开。靠近井筒处的清理较为有限，主要剥离最致密的材料。通道远端则因围压高、流动小，DNPP 难以去除损伤，使该处成为持续的流阻瓶颈。

找出对设计至关重要的参数

为从理解迈向预测，作者系统地变化了九个因素：负压脉冲的形状与持续时间、原位应力以及诸如孔隙度、渗透率、内聚力和内摩擦角等岩性参数。通过正交试验设计与逐步回归分析，他们发现只有四个参数真正主导了清理效率：动态负压峰值、爆炸前的初始静态欠压、岩石内聚力（颗粒粘结强度）和内摩擦角（颗粒易滑动程度）。更高的峰值负压和初始欠压有利于清理，而更高的内聚力会增加清除难度；更大的内摩擦角则有助于清除。基于这些关系，他们建立了一个简单的线性公式来预测清理效率，能解释约80%的模拟变异，并在与物理模型试验比较时预测误差仅为几百分点。

对油井及其它领域的意义

在实践上，这项工作表明 DNPP 能显著重新打通被堵的射孔通道，尤其是在中段，并且工程师可利用一个简明的公式来选择射孔枪设计与操作压力，以在特定岩性下最大化清理效果。尽管研究聚焦于相对脆性、均质岩石中的油气井，但相同的理念——短暂负压、耦合的岩体-流体响应与数据驱动的预测——也可用于优化近井清洁，应用领域包括碳封存、地下能量存储和地热系统。对于页岩或含粘土较多的复杂岩相，作者建议将模型扩展以包含膨胀和其它化学效应，但核心结论明确：在合适的时序吸力脉冲和有利的岩性条件下，围绕射孔通道的许多隐性损伤可以被逆转。

引用: Li, F., Li, Y., Zhang, Z. et al. Investigation into the mechanism of damage removal in the compaction zone using dynamic negative pressure perforation. Sci Rep 16, 7608 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38667-5

关键词: 动态负压, 井射孔, 压实带清理, 油气井, 储层渗透率