王海東，陳鋒，歐躍強

唐凱，任國輝，李奔馳

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司測井公司，重慶 400021)

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頁巖氣水平井分簇射孔配套技術分析及應用

王海東，陳鋒，歐躍強

唐凱，任國輝，李奔馳

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司測井公司，重慶 400021)

[摘要]分簇射孔技術是頁巖氣水平井多段、分段壓裂完井工藝中的一項重要技術，隨著我國頁巖氣勘探開發(fā)的不斷深入，分簇射孔技術也得到了不斷發(fā)展和廣泛應用?；诜执厣淇坠に嚰夹g原理，重點闡述并分析了分簇射孔工藝中配套的相關技術，包括連續(xù)油管射孔、復合橋塞與射孔聯(lián)作、多級點火控制、分簇射孔器、泵送工藝參數(shù)優(yōu)化、高壓動密封防噴以及管串丟手釋放和安全起爆監(jiān)測等配套工藝技術?，F(xiàn)場應用效果表明分簇射孔工藝技術安全適用性，對頁巖氣水平井開發(fā)具有重要意義。

[關鍵詞]頁巖氣；水平井；分簇射孔；復合橋塞；多級點火；多段壓裂

頁巖氣是指位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集[1]。據(jù)相關機構對中國頁巖氣資源量進行的估算，結果顯示我國頁巖氣地質(zhì)資源量為134.4×1012m3，技術可采資源量為31.6×1012m3。經(jīng)過多方測算分析以及深入研究，認為我國頁巖氣產(chǎn)量2015年將超過50×108m3；2020年有望突破300×108m3，占我國天然氣產(chǎn)量比重的15%左右[2]。頁巖氣藏因為頁巖基質(zhì)孔隙度很低，最高僅為4%～5%，滲透率小于1mD[3]。因此，多級分段壓裂成為了頁巖氣開發(fā)的關鍵技術。

伴隨著“體積改造”概念的提出并結合美國30多年的頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗，表明了頁巖氣水平井套管完井及分段壓裂技術逐漸成為主體技術模式，而“分段多簇”射孔實施應力干擾是實現(xiàn)體積改造的技術關鍵[4]之一。近幾年國內(nèi)各大油田和相關技術服務企業(yè)也進行了分簇射孔工藝技術研發(fā)和應用，其中川慶鉆探測井公司于2012年10月在Y101-78-H1井進行了國內(nèi)率先的試驗性應用。2013～2014年，我國頁巖氣富集區(qū)塊(如四川威遠-長寧和重慶涪陵焦石壩頁巖氣田)進入了大規(guī)模的開發(fā)階段并獲得了良好的產(chǎn)能，分簇射孔配套工藝技術得到了規(guī)?；瘧?。

1分簇射孔原理與特點

分簇射孔是指在井筒與地層有效溝通的前提下，運用電纜輸送方式，按照泵送設計程序，將射孔管串與復合橋塞采用泵送方式輸送至目的層位，完成橋塞坐封與多簇射孔聯(lián)作的射孔技術(圖1)。該技術適應于4.5～7in的直井、大斜度井和水平井等各型套管井，目前廣泛地應用在頁巖氣、致密油氣、煤層氣等非常規(guī)油氣藏水平井開發(fā)中。

圖1　分簇射孔管串示意圖

分簇射孔技術主要特點：①一次下井，可實現(xiàn)橋塞坐封與多簇射孔聯(lián)合作業(yè)，射孔級數(shù)可達到20級；②與體積壓裂工藝聯(lián)合作業(yè)可增加井筒與油氣層的接觸面積，提髙產(chǎn)收率；③采用套管加砂，可以大排量施工(一般在10～15m3/min)，最大程度地減小施工水馬力損失和施工風險，從而降低施工成本[5]；④作業(yè)時效高、試油周期短，特別是在采用“工廠化”壓裂開發(fā)模式時能夠大大節(jié)約完井作業(yè)時間。

基本作業(yè)流程為：①采用(連續(xù))油管輸送方式進行第一段射孔作業(yè)，然后進行壓裂，有效溝通地層與井筒；②采用泵送的方式將復合橋塞與射孔聯(lián)作管串系統(tǒng)輸送至目地層位，進行第一級供電使橋塞坐封，其后對不同目的層段進行多簇射孔；③進入壓裂施工程序，按照相關分簇射孔施工設計重復以上作業(yè)流程；④最后一次性鉆掉所有復合橋塞或直接進入后續(xù)作業(yè)。

2分簇射孔配套技術

2.1連續(xù)油管輸送射孔

頁巖氣水平井第一段射孔多數(shù)采用連續(xù)油管射孔，連續(xù)油管輸送二級射孔器(圖2)至預定層位，通過井口正加壓與環(huán)空加壓分別起爆射孔器。此外，也可采用油管傳輸射孔，通過井筒內(nèi)加壓起爆射孔器，還可以采用水力噴砂射孔，將水力噴砂射孔與壓裂一體化鉆具下入目的層射孔后，然后關閉油套環(huán)空控制閘閥進行主壓裂[5]。完成了第一段射孔與壓裂作業(yè)后，油氣層與井筒就形成了良好溝通通道，為后續(xù)泵送作業(yè)創(chuàng)造條件。

圖2　連續(xù)油管傳輸射孔示意圖

連續(xù)油管輸送第一段射孔與油管傳輸射孔和水力噴砂射孔作業(yè)相比，具有作業(yè)周期短、經(jīng)濟效益好、成功率高等特點。此外，目前國內(nèi)的頁巖氣水平井水平段長度較長，大多在1500～2000m，最長可達2500m，選用連續(xù)油管輸送方式完成第一段射孔作業(yè)也更為適合。

2.2復合橋塞與射孔聯(lián)作

復合橋塞與射孔聯(lián)作技術最大特點是實現(xiàn)了一次下井完成橋塞坐封與多簇射孔作業(yè)。具體過程是指在第一段壓裂完成后，通過電纜一次將復合橋塞與射孔器管串(見圖1)泵送至井內(nèi)預定位置，先供電點火燃燒橋塞藥柱，橋塞工具內(nèi)產(chǎn)生的高壓氣體推動活塞運動從而坐封復合橋塞，再回起電纜依次校對深度定位，地面供電依次完成后續(xù)各簇射孔。

常用的復合橋塞為投球式橋塞(圖3)和可溶球免鉆大通徑橋塞。復合橋塞主要特點是采用復合材料制成，芯軸為鋁制，橋塞內(nèi)置液體通道，以便液體進出，可實現(xiàn)壓后迅速返排和投產(chǎn)[6]；另外具有良好的可鉆性，可采用連續(xù)油管鉆井進行快速鉆除，若采用的是大通徑橋塞，則可在壓裂完成后直接投產(chǎn)，具有良好的經(jīng)濟性、時效性。

圖3　復合材料橋塞

目前國內(nèi)外較多廠家都已生產(chǎn)出各型復合橋塞，耐溫150℃，耐壓差70MPa/105MPa，而坐封工具則可采用貝克橋塞坐封工具(10號或20號)，耐溫204℃，耐壓105～210MPa，適用于4.5～7in套管井作業(yè)。

2.3分簇射孔器

分簇射孔管串中每級射孔器由單獨的多級點火控制器所控制，通過地面控制系統(tǒng)發(fā)出電信號使相對應的各級射孔器起爆射孔。目前國內(nèi)現(xiàn)有的分簇射孔器主要包括3類，分別為分簇(常規(guī))射孔器、分簇定向射孔器和分簇定面射孔器。單簇射孔器有效射孔長度一般采用1.0～1.5m。分簇射孔器型號主要包括73、86、89、102等，耐溫150℃，耐壓105～120MPa，適用于4.5～7in套管井分簇射孔作業(yè)。

分簇(常規(guī))射孔器是指采用常用的螺旋式布彈方式的射孔器。分簇定向射孔器采用了特殊的連接方式，引入水平井定向射孔相關技術形成的一類用于分簇射孔的定向射孔器(圖4)，其主要特點是用于解決巷道軌跡偏低、偏移以及防砂等特殊射孔工程的要求。

分簇定面射孔器采用特殊的布彈方式，實現(xiàn)了在套管同一橫截面上形成多個射孔孔眼的一類射孔器(圖5)。其特點是可在套管同一扇形平面上的多個射孔孔眼造成應力集中帶，在一定的內(nèi)壓力下，很容易造成巖石破裂和失效，為后期儲層壓裂及深度改造創(chuàng)造良好的條件[7]。在實際作業(yè)中，根據(jù)儲層地質(zhì)情況和壓裂改造的相關技術要求，可選擇分簇定向或定面射孔器。

圖4　分簇定向射孔示意圖　　　　　　　　　　　　　圖5　分簇定面射孔示意圖

2.4多級點火控制器

多級點火控制器又稱為射孔選發(fā)裝置，是實現(xiàn)分簇射孔的一項關鍵技術裝置。目前國內(nèi)采用較多的是機械液控式和電子編碼選發(fā)式多級點火控制器。機械液控式點火控制器原理為先點火坐封橋塞，再進行第一簇射孔器點火，第一簇射孔器起爆以后，利用液體壓力實現(xiàn)斷開第一簇射孔器，接通第二簇射孔器，使第二簇射孔器處于待射孔狀態(tài)，然后繼續(xù)進行第二簇射孔器的點火(圖6)[8]。電子編碼選發(fā)式多級點火控制器是通過信號地址編譯實現(xiàn)多級點火控制即每一級射孔器具有獨立的數(shù)字地址，通過地面系統(tǒng)輸入查找編碼地址信號，實現(xiàn)多級供電點火射孔，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)由下而上依次點火，還可以實現(xiàn)選擇性點火。

圖6　多級點火示意圖

多級點火控制器耐溫150～200℃，耐壓140MPa，在理論上機械式液控點火控制器可實現(xiàn)無限的點火級數(shù)，電子式則最高為20級，而實際工作中因受到管串長度、井況和相關設備等條件限制，多數(shù)采用的是3～5級點火。

2.5泵送參數(shù)優(yōu)化

對泵送工藝參數(shù)進行優(yōu)化是為了提高泵送工藝管串的作業(yè)能力和安全性。綜合考慮了儲層地質(zhì)相關參數(shù)，結合井筒參數(shù)(內(nèi)徑、狗腿度、斜率等)、管串參數(shù)(外徑、長度、重量等)、電纜及相關裝備參數(shù)等，建立泵送管串在井筒內(nèi)的模型(圖7)。參數(shù)優(yōu)化能夠分析各參數(shù)對泵送工藝的影響，泵送管串重量與井筒內(nèi)壓力的關系，計算電纜頭張力受力及預測變化情況，設計推薦泵送時的注入排量和電纜運行速度，從而指導泵送管串設計，使泵送工藝全程能夠得到有效控制(圖8)。

圖7　泵送管串模型示意圖

2.6高壓動密封防噴技術

分簇射孔是一項全過程帶壓即負壓井況條件下的射孔作業(yè)，需在井口采用高壓動密封防噴系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電纜封井器、防落器、防噴管、抓卡器、電纜防噴控制頭以及注脂液控裝置等組成(圖9)，通徑適用范圍76～160mm，最高耐壓為105MPa。其工作原理是注脂泵工作產(chǎn)生的高壓，通過密封油脂作用在電纜阻流管內(nèi)以平衡地層壓力，通過對井內(nèi)的壓力控制實現(xiàn)動態(tài)平衡下射孔作業(yè)。這樣實現(xiàn)帶壓密封射孔同時又把壓井介質(zhì)對油氣層的污染程度降至最低[9]。

圖8　泵送射孔軟件界面　　　　　　　　　　　　　圖9　井口高壓動密封防噴系統(tǒng)示意圖

2.7管串丟手釋放技術

在實際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，因為前段壓裂地層出砂、套管內(nèi)沉砂以及高壓壓裂引發(fā)套管變形等原因，使得隨后入井的射孔管串可出現(xiàn)遇阻、遇卡等情況。針對井下管串運行可能出現(xiàn)的復雜情況，一方面為了提高管串的安全可靠性，另一方面為了減少后續(xù)的處理難度，降低風險，提高作業(yè)效率，特研制并在管串中引入了機電丟手釋放裝置。

機電丟手釋放裝置是指在管串遇卡等特殊復雜情況時，為保護電纜和井下管串，通過地面供電信號激活啟動傳壓部件，依靠井內(nèi)高壓推動裝置內(nèi)活塞運動實現(xiàn)丟手裝置下部的管串釋放。該丟手裝置耐溫150℃，耐壓105MPa，抗拉強度大于200kN，丟手釋放壓力3～5MPa，釋放后的管串可通過連續(xù)油管攜帶專用打撈工具進行管串打撈。

2.8起爆安全監(jiān)測技術

射孔起爆監(jiān)測是監(jiān)控并明確井下射孔是否發(fā)生的一種直觀的判斷方法。分簇射孔因全程帶壓作業(yè)，井口區(qū)域是屬于高壓危險區(qū)，特別是進行“工廠化”作業(yè)時。為保證監(jiān)測工作的進行和監(jiān)測人員的安全，采用無線檢測儀器實現(xiàn)了射孔起爆無線監(jiān)測。該儀器由井口信號發(fā)射器、信號接收器和監(jiān)測軟件組成，既能通過耳機也可通過軟件顯示井下的震動信號。該套監(jiān)測儀監(jiān)測精度高(圖10)，監(jiān)測時間長，信號接收范圍廣，在無阻礙物的情況下，信號接收的最長距離可達到120m。

圖10　分簇射孔無線監(jiān)測信號

3在X井應用

3.1X井基本概況

X井為四川盆地的一口頁巖氣水平井。該井水平段長度約為2100m，水平段垂深約2380m，井底溫度82℃，采用5.5in套管完井，套管壁厚10.54mm。水平段巖性為灰黑色碳質(zhì)泥巖及深灰色含灰泥巖，完鉆層位下志留統(tǒng)龍馬溪組。

結合本井鉆錄井情況、測井綜合解釋、地層巖石力學特征、井眼軌跡、井筒套管與固井質(zhì)量等因素，在水平段內(nèi)共設計26段射孔與壓裂段，每段長度基本在75～95m，每段射孔簇數(shù)2～3簇，每簇長度1.0～1.5m。

3.2射孔配套技術、器材優(yōu)選

1)射孔工藝選擇。井內(nèi)第一段選用連續(xù)油管輸送射孔，射孔簇數(shù)為2簇，每簇長度1.5m，后續(xù)各段采用電纜攜帶射孔器與橋塞，使用水力泵送方式將橋塞與射孔管串輸送至井內(nèi)預定層位，依次完成橋塞坐封與多簇射孔聯(lián)作。

2)射孔器優(yōu)選。結合井筒特征和壓裂改造要求，選用?89mm射孔槍，耐壓為105MPa，孔密20孔/m，相位60°，射孔彈選用配套的“89先鋒”射孔彈，檢測穿深大于800mm，射孔器耐溫160℃/48h。

3)復合橋塞優(yōu)選。分段壓裂采用球籠式易鉆復合橋塞，長度440mm，外徑109mm，耐溫150℃，耐壓差70MPa。

4)多級點火控制器優(yōu)選。優(yōu)選電子編碼選發(fā)式多級點火控制器，耐溫150℃。

5)防噴系統(tǒng)選擇。采用了“140-105”井口防噴設備，該防噴裝置內(nèi)通徑為140mm，耐壓105MPa。

6)泵送參數(shù)優(yōu)化設計。采用水平井泵送射孔模擬軟件，結合該井井筒、射孔器配套器材等參數(shù)特征，模擬計算泵送管串排量與受力情況(圖11、12)。

3.3作業(yè)效果評價

2014年1～2月，歷時12d完成了X井全部26段射孔與壓裂聯(lián)合作業(yè)，其中射孔器發(fā)射69簇，共用射孔彈1560發(fā)，發(fā)射率為100%，坐封復合橋塞25個，全部一次性坐封成功，壓裂注入總液量約46000m3，砂量約1344m3。該井在分簇射孔泵送作業(yè)過程中，井口最高泵送壓力約為55MPa，最高泵送排量為1.8m3/min，最低泵送排量為1.6m3/min。

圖11　模擬計算推薦排量　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖12　纜頭受力情況

2月底，放噴測試點火成功，獲得了良好的產(chǎn)能，同時也為我國頁巖氣超長水平井分簇射孔技術應用積累了重要的作業(yè)經(jīng)驗。

4結論與建議

1)分簇射孔技術是頁巖氣開發(fā)中一項重要技術，配合多級、分段壓裂作業(yè)，儲層改造效果好，作業(yè)時效性高，能夠大大縮短試油求產(chǎn)的周期。

2)目前國內(nèi)各油田相關技術單位相繼開發(fā)出分簇射孔工藝技術，通過現(xiàn)場作業(yè)來看，取得了良好的應用效果，為頁巖氣等非常規(guī)油氣藏的高效開發(fā)提供了有力的技術支持。

3)應基于目前的工藝技術基礎，有針對性地研發(fā)溫度、壓力更高，水平段更長的配套分簇射孔技術，以滿足今后可能出現(xiàn)的水平段超長、井深更深的頁巖氣水平井的開發(fā)。

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[編輯]黃鸝

Analysis and Application of Matching Technology for Clustering Perforation in Shale-gas Horizontal Wells

Wang Haidong, Chen Feng, Ou Yueqiang, Tang Kai, Ren Guohui, Li Benchi

(FirstAuthor’sAddress:LoggingCompany,ChuanqingDrillingEngineeringCo.Ltd.,CNPC,Chongqing400021,China)

Abstract:The clustering perforation was an important technique in multi-section and sectional fracturing in shale-gas horizontal wells.With the development of shale gas exploration and development in China, the clustering perforation technology has been continuously developed and widely used. Based on the principle of the clustering perforating technology, the related matching technologies, including coiled tubing perforation, composite bridge plug and perforation, clustering perforator, multi-stage ignition control, pumping process parameters optimization, high dynamic pressure prevention, pipe string release and perforation monitoring were mainly introduced and analyzed. The effect of field application indicates that the clustering perforation is safe and applicability, and has very important significance for the development of shale gas horizontal wells.

Key words:shale gas；horizontal well；clustering perforation；composite bridge plug；multi-stage ignition；multi-stage fracturing

[中圖分類號]TE257.1

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)8-0040-06

[作者簡介]王海東(1985-)，男，工程師，現(xiàn)從事石油射孔工藝技術研究與應用工作，hd329651168@126.com。

[收稿日期]2015-10-09

[引著格式]王海東，陳鋒，歐躍強，等.頁巖氣水平井分簇射孔配套技術分析及應用[J].長江大學學報(自科版),2016,13(8):40～45.