1. 页岩气分簇式射孔技术概述

1.1. 页岩气开发现状

页岩气，因其清洁、高效的特性，在全球能源领域占据重要地位。美国在页岩气开发方面处于领先地位，主要得益于其先进的钻井和压裂技术。中国虽然起步较晚，但凭借丰富的资源和政府的支持政策，已在四川盆地和涪陵气田等地实现商业化生产，技术进步显著，对能源结构优化和环境保护产生了积极影响。

1.2. 分簇式射孔技术应用现状

分簇式射孔技术对提升页岩气产能和作业效率至关重要。该技术通过电缆将管串输送至油气井目的层，完成桥塞坐封和多簇射孔，为后续的压裂作业奠定基础。它以作业周期短、效率高、成本低等优势，在页岩气和致密油开采中得到广泛应用。国内技术的发展，如连续油管射孔、复合桥塞与射孔联作、多级点火控制等，进一步提高了作业的安全性和适用性。特别是在长水平段非均质性页岩储层的开发中，通过优化布储方式，实现了储层的立体改造。随着智能化技术的进步，分簇射孔技术正向智能化可控起爆方向发展，如国外的压力编程起爆系统，能够根据井况编译起爆程序，实现智能多级分簇起爆，为页岩气的高效开发提供了技术支持。

2. 页岩气分簇式射孔复杂故障类型及成因分析

2.1. 复杂故障类型概述

页岩气分簇式射孔作业中，复杂故障会导致施工效率低下甚至失败，主要故障类型包括：连续油管输送射孔中途起爆，因油管下放操作不当或套管防压闸门未开启导致憋压起爆；泵送工具串泵脱，因压力波动或工具串设计缺陷造成；桥塞不能坐封或坐封不丢手，受井筒条件或桥塞设计影响；射孔枪射孔不完全，由射孔枪性能不稳定或井筒条件恶劣引起。这些故障增加施工难度，还可能造成资源浪费和环境污染，深入研究其成因并制定控制措施对提高开发效率意义重大。

2.2. 射孔过程中的常见故障

在页岩气分簇式射孔作业中，常见故障有：射孔枪遇阻，因井底泥浆杂物、井壁结蜡、油管内壁死油蜡质或井段变形；电缆及工具清洁问题，杂质影响正常运作，如电缆油污导电不良；卡枪问题，因井壁不规则、工具损坏或操作不当；点火失败，点火系统故障致射孔枪无法起爆；桥塞问题，桥塞未正确座封或失效影响压裂效果。这些故障与作业环境、工具质量、操作规范等因素有关，需严格控制各环节保障作业安全高效。

3. 页岩气分簇式射孔复杂故障控制方法

3.1. 故障预防策略

在页岩气分簇式射孔作业中，故障预防至关重要。设备定期检查与维护，详细检查射孔枪、桥塞、电缆等关键设备，清理灰尘残留物；优化射孔方案设计，根据地质条件和井眼轨迹设计射孔方案，选择合适桥塞和坐封工具；实时监测与预警系统，监控射孔作业参数，异常时预警；培训与意识提升，对作业人员培训，加强安全意识教育。这些策略可降低复杂故障风险，提高作业安全性和效率。

确保射孔枪性能稳定是页岩气分簇式射孔作业中极为关键的一环，以下是具体措施：

1) 射孔各项设备及参数的适应性调整

• 针对泥岩、页岩地层的适应性调整

射孔枪类型选择：在软地层中，应选择穿透力适中的射孔枪。这类地层较易穿透，但需要确保射孔孔道的清洁和完整性，避免孔道被地层碎屑堵塞。例如，可以使用带有较大孔径的射孔枪，以便在穿透地层后形成较大的孔道，减少堵塞风险。

射孔弹调整：选择改进射孔弹药型罩的高精度的射孔弹。改进射孔弹药型罩的射孔弹能够确保孔道的规则性，提高射孔效果，避免大量地层杂质返出，避免工具串被埋[1]。

射孔参数优化：适当降低射孔压力和射孔速度。在软地层中，过高的射孔压力可能导致地层碎屑飞溅，堵塞孔道。通过调整射孔压力和速度，可以减少这种风险，同时确保射孔孔道的清洁。

• 针对高压地层压力的适应性调整

射孔枪类型选择：选择耐高压的射孔枪。高压地层对射孔枪的耐压性要求较高，需要确保枪体能够在高压环境下正常工作。例如，可以使用高强度合金材料制造的射孔枪，其耐压能力可以达到100 MPa以上。

射孔参数优化：在高压地层中，需要严格控制射孔参数。例如，适当降低射孔速度，避免因过高的速度导致射孔枪与地层之间的摩擦力过大，从而影响射孔枪的耐压性。同时，需要确保点火系统的可靠性，避免因高压环境导致点火失败。

• 针对高温地层温度的适应性调整

射孔弹调整：选择耐高温的射孔弹。高温地层中，射孔弹需要能够承受高温环境下的点火和爆炸过程。一般建议150℃以下可以选择RDX火药射孔弹，150℃以上应考虑使用HMX火药等高温射孔弹。

射孔参数优化：在高温地层中，需要严格控制射孔参数。例如，严格控制泵送速度，避免因为长时间泵送导致射孔枪暴露在高温中，从而影响射孔器材的性能。同时，需要确保点火系统的可靠性，避免因高温环境导致点火失败。

• 可溶桥塞选择考虑

1) 地层温度响应匹配

镁基合金桥塞：适用于温度 < 80℃地层，溶解周期可控(24~72小时适合多段压裂)

铝基复合桥塞：适配温度窗口为80℃~120℃，需通过表面包覆技术调节溶解速率

增强型合金桥塞：针对120℃~150℃高温层，采用Fe-Mn-Cu合金体系，配比调整为Mn (20~45 wt%)

2) 地层流体兼容性

矿化度 < 50,000 ppm选用常规型(PH值自适应)

矿化度 > 50,000 ppm采用表面修饰桥塞：

添加ZnO涂层的酸性缓蚀型(适用于Cl⁻ > 80 g/L)

阳极氧化处理的碱性抗垢型( ${\text{HCO}}_{\text{3}}^{-}$ > 5000 mg/L时选用)

3.2. 射孔过程中的操作规范

1) 下井操作控制

在将射孔枪下入井中的过程中，要严格控制下放速度。避免过快下放导致射孔枪与井壁碰撞，造成损坏。同时，要保持操作的平稳性，避免急起急停，防止因惯性力导致射孔枪内部结构受损或射孔弹移位。在下井过程中，要实时监测电缆的张力。如果电缆张力异常升高，可能意味着射孔枪遇到了阻碍，此时应立即停止下放，分析原因并采取相应措施，如缓慢活动管柱，尝试解除遇阻情况，而不是强行下压。

2) 泵送压力的选择与控制

一般在工程实践中，泵送压力的选择是水平井分簇射孔的一个关键点，现场泵送实践表明，泵送排量过大，易引起造斜点附件电缆扭曲变形，造成电缆上提遇卡工程复杂。此外，泵送速度过快，易导致管串在套变点“卡死”，造成管串遇卡工程复杂[2]。但泵送压力过低，又会导致工具串电缆冗余打扭遇卡，选择适当的泵送压力，是提高泵送分簇式射孔成功率的关键一环。

• 泵送压力的经验公式

以下提供一个适用于常规水平井的简化经验公式(需结合实际情况验证调整)：

P泵送 ≈ (f∙L∙ρ∙Q2) + ΔP工具 + ΔP安全P泵送 ≈ (f∙L∙ρ∙Q2) + ΔP工具 + ΔP安全

参数说明：

1) f∙L∙ρ∙Q2f∙L∙ρ∙Q2——环空流体摩阻压降(MPa或psi)

f ：摩阻系数(与流体类型、雷诺数相关)

牛顿流体层流：f = 16 Re；湍流：f ≈ 0.02~0.05

L：水平段射孔段总长(米)

Ρ：流体密度(kg/m³)

Q：排量(m³/min)

2) ΔP工具ΔP工具——工具动态压降(MPa或psi)

简化为：ΔP工具 ≈ (0.3 − 0.6)∙QΔP工具 ≈ (0.3 − 0.6)∙Q

(经验系数，工具摩擦与局部阻力总和)

3) ΔP安全ΔP安全——安全余量(MPa或psi)

建议预留10%~15%的总压降

• 不同水平井条件下的泵送压力选择

• 长水平段页岩气井特点：水平段较长，通常超过1000米，射孔枪输送距离远，摩擦阻力大。

泵送压力选择：初始泵送压力：在射孔枪进入水平段之前，需要较高的初始泵送压力来克服较大的摩擦阻力。输送过程中的泵送压力：随着射孔枪逐渐进入水平段，摩擦阻力会逐渐增大。为了确保射孔枪顺利输送，泵送压力需要逐步增加。

注意事项：在长水平段输送过程中，需要实时监测电缆张力和泵送压力，避免因压力过高导致井壁坍塌或设备损坏。同时，要根据井眼轨迹的变化及时调整泵送压力。

• 高倾角水平井特点：井眼倾角较大，通常在60˚以上，射孔枪在输送过程中受到的重力分量较大，摩擦阻力也相对较大。

泵送压力选择：初始泵送压力：由于高倾角井眼的重力分量较大，初始泵送压力需要较高，一般可在正常泵送压力基础上上浮10%左右。输送过程中的泵送压力：在输送过程中，泵送压力需要根据井眼倾角和摩擦阻力的变化进行调整。

注意事项：在高倾角水平井中，射孔枪的输送稳定性较差，容易出现卡阻现象。因此，在输送过程中需要特别注意泵送压力的变化，避免因压力波动导致射孔枪卡阻。同时，要确保电缆的张力控制在合理范围内，避免电缆打扭或断裂。

泵送压力的实时监测与调整

实时监测：在射孔作业过程中，应配备高精度的压力传感器和电缆张力传感器，实时监测泵送压力和电缆张力的变化。通过监测数据，可以及时发现异常情况，如泵送压力过高或电缆张力异常增大。利用实时监测系统，可以绘制泵送压力和电缆张力随时间的变化曲线，为泵送压力的调整提供直观依据。

通过上述措施，能够有效确保射孔枪在页岩气分簇式射孔作业中的性能稳定，从而提高作业的成功率和效率，降低复杂故障的发生概率。

3) 防砂卡措施

在水平井分簇式射孔作业中，压裂常用覆膜砂容易返出进入井筒，导致阻流管砂卡，影响施工效率和安全性。

施工前维护设备：定期检查和维护电缆、阻流管、注脂头等设备，确保其处于良好状态，减少因设备故障导致的砂卡风险。

设计过程中应控制返排参数：在压裂施工后，合理控制返排参数，避免因返排过快导致砂粒回流，增加砂卡风险。

优化阻流管设计：适当增加阻流管内径，增加阻流管的过滤能力；降低密封脂的粘度，减小电缆粘附细砂的能力。适当增加注脂控制头注脂压力，保证电缆清洁[3]。

3.3. 故障诊断技术

故障诊断技术在页岩气分簇式射孔作业中很关键，包括实时监测和数据分析。实时监测技术通过传感器收集射孔过程参数，异常时报警；数据分析技术分析监测数据，建立故障预警模型，确定故障原因和位置。常见诊断方法有压力监测法、电缆张力监测法、声波检测法等。随着人工智能和大数据技术发展，引入智能算法和机器学习模型，实现智能化监测诊断，提高准确性可靠性。

3.4. 故障处理与应对措施

处理页岩气分簇式射孔复杂故障需多种措施。针对电缆打扭和管串遇阻，控制电缆下放速度和泵送排量；针对井筒内砂问题，施工前洗井通井，选用合适工具；针对复杂井眼轨迹，优化泵送工艺，选用可靠工具；在设计操作层面，考虑参数变化，制定合理施工方案并实时调整。这些措施可有效控制复杂故障，提高成功率和效率。

4. 复杂故障控制方法的实施与效果评价

4.1. 控制方法的实施流程

实施页岩气分簇式射孔复杂故障控制方法需遵循流程。先故障监测与识别，用监测技术找异常信号；再故障分析与定位，用专家评审和机器学习等手段分类定位；接着制定与实施应急控制策略，调整参数、换部件、优工艺等；最后效果评估与反馈，全面评估处理效果，反馈优化后续方法。此流程可有效控制复杂故障，保障生产安全稳定。

4.2. 实施过程中的关键问题与解决方案

实施中遇关键问题及解决方案：连续油管输送射孔意外起爆，因油管下放操作不当或防压闸门未开，解决方案是控制下放速度、确保闸门开启；泵送工具串泵脱，因井斜变化、排量不当、摩擦力大等，优化泵送参数匹配；桥塞不能坐封或坐封不丢手，因桥塞质量或工具性能，采用高质量桥塞和工具并严格测试。这些措施可解决关键问题，提高施工效率质量。

4.3. 效果评价指标体系构建

构建效果评价指标体系很重要，包括：故障控制成功率，衡量方法有效性可靠性；生产效率提升率，对比实施前后生产效率；成本节约率，分析减少故障后的成本节约；安全性指标，评估作业安全性提升程度；环境友好性，考察对环境的影响；技术适应性，评价在不同条件下的适应性。此体系可全面系统评估实施效果，为优化改进提供依据，提升开采效益和可持续发展能力。

5. 结论与展望

通过对页岩气分簇式射孔复杂故障控制方法的研究得出结论：分簇射孔技术在页岩气水平井多段、分段压裂完井工艺中很重要，能有效提升产能，尤其在非常规油气资源开发中凸显重要性，多级点火分簇射孔技术提高了下井一次成功率，减少故障。针对复杂故障，本文提出控制方法，深入研究关键部件，揭示故障原因，提供解决方案，如电子选发开关技术提高射孔效率。研究成果具有理论实践意义，为未来研究提供参考。但页岩气开采复杂性不确定性对射孔作业要求更高，故障控制策略需进一步完善细化，以适应不同地质条件和开采需求。

参考文献