韓國有, 李東傳,2

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318; 2.石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 黑龍江 大慶 163853)

0 引 言

射孔技術(shù)為油氣井增產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用[1]。常用的復(fù)合射孔器可分為內(nèi)置式(占總用量的98%以上)和外置式兩大類,還可細(xì)分為一體式(內(nèi)置式)、外套式、二次增效、對稱式、雙復(fù)式等[2],其目的是在射孔的同時(shí)立即進(jìn)行高能氣體沖擊、壓裂,部分解除射孔損害,改善射孔孔道周圍區(qū)域?qū)Я髂芰?提高注采效果。從作用過程可以分為,①射孔瞬間由射孔彈直接引(爆)燃壓裂火藥的復(fù)合射孔器,可以認(rèn)為射孔后立即進(jìn)行高能氣體壓裂,特點(diǎn)是壓力上升速率快,持續(xù)較短,代表產(chǎn)品為內(nèi)置式、外套式復(fù)合射孔器;②射孔后由導(dǎo)爆索或點(diǎn)火藥柱引(爆)燃壓裂火藥的復(fù)合射孔器,可以將射孔與高能氣體壓裂分成2個(gè)階段,特點(diǎn)是壓力上升速率慢,持續(xù)較長,代表產(chǎn)品為對稱式或下掛式復(fù)合射孔器。

為獲得較好的施工效果,國內(nèi)外對聚能射孔損害[3-4]、復(fù)合射孔壓裂過程、機(jī)理和效果[5-12]進(jìn)行了大量的研究。許多服務(wù)、作業(yè)公司在此基礎(chǔ)上編制了復(fù)合射孔優(yōu)化設(shè)計(jì)、效果預(yù)測等軟件[13-15],期望通過前期的復(fù)合射孔器以及優(yōu)化施工設(shè)計(jì)獲得理想的施工作業(yè)效果。受目的層地質(zhì)條件、井筒內(nèi)液柱壓力及已射開層等因素影響,部分復(fù)合射孔施工監(jiān)測結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)仍有較大的誤差,如設(shè)計(jì)峰值壓力181 MPa,而實(shí)際施工監(jiān)測結(jié)果只達(dá)到156 MPa[13]。為進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)和預(yù)測的準(zhǔn)確性,國內(nèi)外研究人員不斷探索、完善復(fù)合射孔壓裂效果評價(jià)研究方法,希望更好地為指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工服務(wù)。本文總結(jié)了復(fù)合射孔壓裂效果評價(jià)方法研究進(jìn)展。

1 油田現(xiàn)場對復(fù)合射孔壓裂效果的要求

復(fù)合射孔技術(shù)作業(yè)的目的是利用壓裂火藥產(chǎn)生的高壓氣體對聚能射孔后的孔道壁進(jìn)行沖擊、破壞,改善射孔孔道周圍的導(dǎo)流能力,提高油氣井產(chǎn)能。實(shí)際施工中,達(dá)到上述目標(biāo)的前提是壓裂火藥產(chǎn)生氣體的作用壓力必須要高于孔道壁形成裂縫的臨界壓力[16]。由于各種因素的影響,部分施工井中的復(fù)合射孔并未達(dá)到預(yù)期的效果,但后續(xù)施工作業(yè)顯示復(fù)合射孔能起到降低水力壓裂中起裂壓力的作用。對復(fù)合射孔壓裂效果的要求是改善射孔孔道周圍的導(dǎo)流能力,提高產(chǎn)液量,很少見到只用于降低水力壓裂過程中的起裂壓力的實(shí)例。

2 壓裂效果評價(jià)研究現(xiàn)狀

為了掌握、驗(yàn)證復(fù)合射孔器產(chǎn)品的壓裂效果,需要建立復(fù)合射孔器作功能力(p-t曲線)與產(chǎn)量之間的關(guān)系。井下液柱、儲(chǔ)層等差異較大,很難通過簡單的產(chǎn)量對比分析評價(jià)壓裂效果。研究人員通過實(shí)驗(yàn)室模擬研究、理論研究和現(xiàn)場井下產(chǎn)量監(jiān)測、驗(yàn)證等3種方式進(jìn)行研究。

2.1 地面混凝土靶射孔試驗(yàn)

按標(biāo)準(zhǔn)[17-18]要求制作混凝土靶(規(guī)格一般為Φ5 m×1.1 m或Φ6 m×1.1 m),試驗(yàn)時(shí)將裝配好的1 m復(fù)合射孔器放入封閉下端的套管內(nèi),居中放置,注滿清水(模擬射孔液),封閉套管上端后進(jìn)行射孔試驗(yàn)。部分生產(chǎn)廠將1 m復(fù)合射孔器放在混凝土靶的套管(封閉下端)中,在套管上部露出混凝土部分安裝壓力傳感器,封閉套管上部,測試套管內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力變化過程。也可用雙層套管代替混凝土靶,雙層套管中間澆注混凝土并封固,套管側(cè)面非射孔方向安裝壓力傳感器(見圖1),測試套管內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力變化過程[19],以評價(jià)復(fù)合射孔器的能力。

圖1 測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖

利用在混凝土靶上產(chǎn)生的裂縫長度、裂縫寬度、裂縫數(shù)量及壓力變化規(guī)律或雙層套管靶內(nèi)的壓力變化規(guī)律描述復(fù)合射孔器的作用效果存在以下缺陷:①混凝土靶邊界無束縛,裂縫一旦形成,氣體大量泄漏;雙層套管靶射穿后氣體也是直接泄漏,均與井下實(shí)際情況差別大;②很難對比2種復(fù)合射孔器性能的優(yōu)劣;③制作大直徑混凝土靶浪費(fèi)大量材料,且廢靶處理困難。

2.2 室內(nèi)混凝土、砂巖靶模擬壓裂試驗(yàn)

李文魁等[5]采用不同標(biāo)號(hào)的水泥、壓裂砂和水為原料,按不同比例制作模擬巖心。試驗(yàn)時(shí)將模擬巖心置于加載裝置中,模擬巖心中央按幾何模擬準(zhǔn)則,開有鉆孔孔眼,放入小型壓裂彈。壓裂過程由測壓系統(tǒng)監(jiān)控,該測壓系統(tǒng)裝有壓電晶體傳感器,系統(tǒng)最高采樣頻率可達(dá)100 kHz,測壓范圍0～60 MPa。試驗(yàn)表明,在不同圍壓及加載速率下,高能氣體壓裂可產(chǎn)生2～5條徑向裂縫。Wieland C W等[6]在762 mm×762 mm×914 mm的砂巖巖塊中心鉆直徑50 mm長914 mm的通孔,垂直于通孔鉆6個(gè)小孔安裝壓力傳感器,在通孔中安裝火藥,封閉兩端(見圖2),在巖塊周圍加載應(yīng)力,模擬地層束縛壓力,點(diǎn)燃火藥,監(jiān)測壓裂過程,并研究壓裂效果。

圖2 測試靶結(jié)構(gòu)示意圖

上述模擬試驗(yàn)原理基本相同,Wieland C W等在試驗(yàn)材料的選取和模擬上更接近井下儲(chǔ)層實(shí)際條件,均屬于高能氣體壓裂效果評價(jià)研究。試驗(yàn)過程中不射孔,直接測試壓裂火藥產(chǎn)生的高能氣體的壓裂效果,模擬的是下掛式復(fù)合射孔器壓裂效果。與中國常用的內(nèi)置式復(fù)合射孔器的先射孔、瞬間再壓裂的作用過程差別較大,因?yàn)閮?nèi)置式復(fù)合射孔器產(chǎn)生的火藥峰值壓力上升較快,持續(xù)時(shí)間較短,壓力加載速率、持續(xù)時(shí)間影響裂縫的形成和發(fā)展[3]。

2.3 室內(nèi)模擬射孔、壓裂試驗(yàn)

采用混凝土、砂巖A、砂巖B和壓裂砂加清水等不同材料在鋼殼內(nèi)制成鋼殼模擬靶,鋼殼模擬靶在地層中的應(yīng)力束縛避免射孔過程中縫隙的形成(見圖3),以獲得高壓氣體產(chǎn)生的裂縫[12]。利用復(fù)合射孔器單元射孔測試環(huán)空壓力變化規(guī)律,并利用工業(yè)CT徑向掃描砂巖,觀察砂巖上的裂縫形態(tài),研究p—t曲線與靶材料、裂縫間的關(guān)系。

圖3 復(fù)合射孔器單元試驗(yàn)裝置

利用p—t曲線反映復(fù)合射孔壓裂效果的優(yōu)點(diǎn)是更接近井下實(shí)際情況,缺點(diǎn)是鋼殼的束縛與地下應(yīng)力束縛差別較大,且p—t曲線與裂縫均不能反映用戶需要的最終效果——產(chǎn)量。該方法是室內(nèi)評價(jià)復(fù)合射孔器壓裂能力的最佳方法。

鑒于儲(chǔ)層的特異性以及實(shí)際操作困難,要做好壓裂效果評價(jià)方法研究,首先應(yīng)做的是對火藥(包括內(nèi)置的、外套的、高溫的、多級的等)進(jìn)行p—t測試評價(jià)。石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心每年按標(biāo)準(zhǔn)要求[20]可對中國主要產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)和評價(jià)。表1為p—t測試的評價(jià)指標(biāo)。

表1 復(fù)合射孔器p—t參數(shù)表

2.4 數(shù)值模擬研究

國內(nèi)外大量學(xué)者利用各種數(shù)學(xué)物理模型模擬研究復(fù)合射孔壓裂過程、裂縫的形成和延伸[8-11]甚至是產(chǎn)量預(yù)測。利用數(shù)值模擬方法研究復(fù)合射孔器在井筒中的作功過程,并以p—t曲線形式描述,用于復(fù)合射孔優(yōu)化設(shè)計(jì);將理論計(jì)算獲得的p—t曲線與實(shí)測曲線相比較,可驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確程度,也可用于評價(jià)復(fù)合射孔器在井下的作用效果。

因各種條件的限制,很難直接建立復(fù)合射孔器作功能力與效果間的關(guān)系,有研究人員希望通過數(shù)值模擬研究找出、建立復(fù)合射孔器作功能力—裂縫—產(chǎn)量間的關(guān)系。優(yōu)點(diǎn)可為施工提供依據(jù);缺點(diǎn)是參數(shù)獲取困難,且裂縫長度等無法通過試驗(yàn)驗(yàn)證,如果通過間接驗(yàn)證,則很難得到準(zhǔn)確結(jié)果。*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

2.5 井下效果監(jiān)測技術(shù)

復(fù)合射孔施工前進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),施工作業(yè)時(shí)將復(fù)合射孔器與高速壓力記錄(p—t)儀[13,21]連接(見圖4),記錄聚能射孔過程和高壓氣體作用過程中的壓力隨時(shí)間變化的曲線,監(jiān)測產(chǎn)能。分析復(fù)合射孔器設(shè)計(jì)參數(shù)、p—t曲線、產(chǎn)能間的關(guān)系,以評價(jià)復(fù)合射孔效果?，F(xiàn)場常用的方法是預(yù)測與實(shí)測p—t曲線對比、預(yù)測與實(shí)測產(chǎn)能對比。該方法是最直接的壓裂效果評價(jià)方法,建立產(chǎn)品—效果間的關(guān)系。優(yōu)點(diǎn)是反映井下實(shí)際情況;缺點(diǎn)是受井筒、儲(chǔ)層中的眾多因素影響,目前尚不能建立密切的相關(guān)關(guān)系。

圖4 施工管柱示意圖

3 壓裂效果評價(jià)研究展望

復(fù)合射孔器壓裂效果評價(jià)研究的最終目的是建立產(chǎn)品、作功能力和作用效果間的函數(shù)關(guān)系,在掌握產(chǎn)品性能、作用效果的基礎(chǔ)上,為優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工服務(wù),以期待獲得更好的增產(chǎn)效果。未來技術(shù)的發(fā)展將傾向于室內(nèi)模擬與井下情況的一致性、數(shù)值模擬過程的科學(xué)性和參數(shù)的準(zhǔn)確性以及室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和井下驗(yàn)證的結(jié)合程度。

3.1 室內(nèi)模擬研究

室內(nèi)模擬試驗(yàn)可直觀、相對準(zhǔn)確地得到復(fù)合射孔壓裂效果,也可將復(fù)合射孔分成聚能射孔、壓裂進(jìn)行測試,以確定各階段的作用結(jié)果。如利用砂巖模擬地層,利用鋼殼甚至帶圍壓的橡膠套模擬砂巖周圍地層的束縛進(jìn)行聚能射孔、流動(dòng)測試,研究聚能射孔損害程度;利用沒有聚能罩的聚能射孔彈與壓裂火藥組成的復(fù)合射孔器單元對已形成的射孔孔道進(jìn)行壓裂(因沒有聚能罩,所以聚能射孔彈不形成金屬射流,不會(huì)對已形成的射孔孔道進(jìn)行作用,只引(燃)爆壓裂火藥,由產(chǎn)生的高壓氣體對射孔孔道進(jìn)行作用);進(jìn)行流動(dòng)測試,研究壓裂對射孔孔道的作用;最后,利用工業(yè)CT等觀察裂縫,研究復(fù)合射孔壓裂效果。

目前尚不能為復(fù)合射孔器單元加井筒壓力、靶體加孔隙壓力,也不能用帶圍壓的橡膠套模擬砂巖周圍地層的束縛壓力,試驗(yàn)所用砂巖也與實(shí)際儲(chǔ)層有一定的差別。研制能夠給靶提供孔隙壓力、加載束縛壓力的試驗(yàn)裝置和尋找或制作合適的砂巖等都是下一步的研究方向。

3.2 數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬研究以室內(nèi)試驗(yàn)為依據(jù),在不斷完善的室內(nèi)模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究、完善數(shù)值模擬的方法、模型。如復(fù)合射孔過程的分段模擬分析,包括射孔孔道的形成、壓裂裂縫的形成及擴(kuò)展、滲流過程的計(jì)算等。在單項(xiàng)模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上,將實(shí)驗(yàn)室難以模擬的過程、邊界條件等進(jìn)行加載,以得到更接近實(shí)際情況的結(jié)果;模擬復(fù)合射孔器在井筒中的作用過程、計(jì)算的p—t曲線、裂縫長度和數(shù)量以及產(chǎn)量。建立更準(zhǔn)確的復(fù)合射孔器作功能力(p—t曲線)和產(chǎn)量間的函數(shù)關(guān)系,更好地為現(xiàn)場施工作業(yè)服務(wù)是下一步的研究方向。

3.3 數(shù)據(jù)模擬與試驗(yàn)、監(jiān)測相結(jié)合

室內(nèi)模擬試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算與井下效果監(jiān)測3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。室內(nèi)模擬試驗(yàn)方便,但模擬條件與井下條件尚有差別,存在無法確定室內(nèi)測試結(jié)果與實(shí)際壓力一致的問題;井下動(dòng)態(tài)測試由于高速壓力記錄儀所安裝的位置與射孔孔眼的位置有一定距離(傳感器一般安裝在復(fù)合射孔器下方30 cm左右),需要解決結(jié)果與實(shí)際壓力有一定誤差的問題;數(shù)值模擬試驗(yàn)因其模型與實(shí)際的差別、部分參數(shù)不夠準(zhǔn)確,需要解決模擬的準(zhǔn)確性問題。完善研究方法,將室內(nèi)試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬研究與井下效果驗(yàn)證相結(jié)合是理想的研究方式,也是發(fā)展的必然方向。

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