孫連偉，王平雙，武廣璦，文敏

（中海油研究總院，北京 100027）

適合海上疏松砂巖油藏的射孔負壓值設計方法

孫連偉，王平雙，武廣璦，文敏

（中海油研究總院，北京 100027）

利用負壓的方式清除射孔彈道內由于射孔瞬間高溫和高壓形成的壓實帶污染，是一種常用和有效的做法，而負壓值的確定是負壓射孔中最重要的參數(shù)之一。目前，國際上流行的推薦做法繁多，效果各異，這給現(xiàn)場選擇應用帶來了困難。為此，在對比分析不同負壓設計方法優(yōu)缺點的基礎上，考慮地層參數(shù)獲取的難易程度，結合巖石力學井壁穩(wěn)定理論，提出了一種更適合海上疏松砂巖油藏的負壓值確定方法。通過對國內海上許多已實施的負壓射孔作業(yè)效果進行分析對比，證明該方法計算簡單方便，同時準確性得到了大幅度提高。

負壓射孔；負壓值；壓實帶；炮眼清潔

0 引言

射孔過程中，聚能射孔彈引爆后形成的壓力沖擊波迅速向外擴散，使孔眼周圍的巖石發(fā)生塑性變形，巖石顆粒被迅速向射孔孔眼外擠壓，形成壓實帶，造成孔眼周圍地層巖石性質發(fā)生變化。研究表明，破碎巖石顆粒導致射孔孔眼周圍滲透率降低，巖石強度在孔眼邊緣幾乎為0，直到深入地層一定深度才逐漸恢復巖石強度原狀，射孔對孔隙度的影響不是很明顯。所以，如何消除射孔對孔眼周圍地層滲透率的影響是業(yè)界一直關注的問題。

為了提高油氣井的產(chǎn)能，有效清除由于射孔作業(yè)引起的彈道壓實和碎屑的污染，業(yè)界在射孔作業(yè)中廣泛地使用負壓射孔方式，以在射孔瞬間使得儲層和井筒之間形成有效的負壓環(huán)境，達到破壞射孔彈道壓實及返排清洗射孔碎屑的效果。

不論是靜態(tài)負壓射孔，還是動態(tài)負壓射孔，孔眼的流動和清潔效率直接與負壓值相關，因而，負壓值是負壓射孔的關鍵參數(shù)之一。負壓值的確定需要綜合考慮2個方面：一方面，設計方法要確保較高的準確性。射孔所用負壓值一旦偏小或者偏大，都會對現(xiàn)場作業(yè)造成重大損失。另一方面，負壓值的計算要簡單方便。在負壓值的設計階段，地層資料獲取較少，這就要求負壓值的設計方法所依賴的地層參數(shù)要少。

目前的負壓值設計方法有很多，大多依據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗總結而來。這類方法多是根據(jù)滲透率、聲波時差及地層的出砂情況等來確定最小和最大負壓值，計算簡單方便，但是由于考慮的因素簡單，缺少一定的理論基礎，其適用范圍受到一定限制［1］。此外，不同方法計算得到的負壓值也不盡相同，甚至在相同儲層條件下的設計結果差異都很大，選擇采用哪種設計方案更加科學和合理面臨挑戰(zhàn)。

本文在總結分析負壓計算的常用方法及局限性的基礎上，結合巖石力學基礎理論，提出一種新的負壓值設計方法，并通過統(tǒng)計歸納眾多海上油氣井的真實資料和實際作業(yè)效果，分析驗證各種方法的適用性。

1 常用射孔負壓值確定方法

海上疏松砂巖油藏進行常規(guī)負壓射孔時，安全負壓值范圍是0.8～2.0 MPa，如此低的負壓值不能夠完全解除射孔作業(yè)對地層造成的壓實損害，降低了地層的滲透率；負壓值如果選擇過大，由于疏松砂巖巖石強度低，會導致出砂非常嚴重，容易砂埋射孔槍，造成卡鉆等井下工程事故：因此，海上疏松砂巖油藏射孔負壓值的準確選取顯得尤為重要。在工程實踐中，負壓值確定方法主要依據(jù)經(jīng)驗方法。經(jīng)驗方法的建立和形成是基于大量的實踐經(jīng)驗數(shù)據(jù)的積累、統(tǒng)計和分析，代表性的方法［2-5］見表1。

表1 常用負壓設計方法統(tǒng)計對比

由表1可以看出，目前常用的經(jīng)驗計算方法，更多的是從計算簡便的角度出發(fā)，考慮因素有限，準確性難以保證，負壓值計算與巖石力學性質及流體特性沒有關聯(lián)，也不能體現(xiàn)射孔彈參數(shù)的影響，難以適應海上疏松砂巖油藏負壓值設計的特點。近年來，針對負壓設計的理論研究越來越多，在各種技術文獻中也陸續(xù)提出了一些新的設計方法和思路。本文根據(jù)渤海海上疏松砂巖油藏負壓射孔的特點，優(yōu)選Tariq提出的模型作為計算最小負壓值的方法，并結合西南石油大學提出的最大出砂負壓模型進行簡化，作為最大負壓的計算方法，進而建立適用于海上疏松砂巖油藏的最佳負壓值計算方法。

2 射孔負壓值計算方法的建立

2.1 保證孔眼清潔的最小負壓設計方法

射孔損害主要有臨時性傷害和永久性傷害2種。負壓射孔的目的是獲得清潔的無傷害孔眼。主要機理是，射孔后在孔眼周圍形成負壓環(huán)境，使孔眼附近地層與孔眼之間存在足夠大的壓力梯度和流速，使永久性傷害物質剝離地層并運移出射孔孔眼，從而恢復儲層的滲透能力。因此，獲得清潔孔眼的最小負壓需要解決2個問題，即多大的壓力梯度和流速能夠使孔眼周圍壓實帶剝離并運移出孔眼、多大的負壓值才能達到需要的壓力梯度和流速。

Tariq認為，在無因次時間tD達到0.1時，負壓的影響將達到或超過壓實帶外邊界［6］。因此，可以近似假設此時壓實帶半徑rc處壓力為pr，而孔壁rp處的壓力（近似為井底壓力）為pwf。假設負壓足以造成非達西流（足以清潔孔眼）且rc處雷諾數(shù)達到臨界值Rec，則此負壓即為最小負壓Δpmin。利用Forchheimer二項式方程，從rp到rc積分，經(jīng)推導可以得出Δpmin的解析方程：

式中：μo為原油黏度，mPa·s；rp為孔眼半徑，cm；ρo為原油密度，g/cm3；Kcz為壓實帶滲透率，10-3μm2。

在使用Tariq的公式時，Rec取0.05，若μo大于1.2 mPa·s，則將μo取為1.2 mPa·s。

2.2 防止地層出砂的最大負壓設計方法

根據(jù)斯倫貝謝研究人員的試驗結果，負壓能夠清洗孔眼主要依靠的是最初的高速非達西流動，而后期的穩(wěn)定流動作用不大。因此，本文利用巖石力學參數(shù)和流體流動特征參數(shù)，結合孔眼力學穩(wěn)定方程和非達西滲流方程，綜合分析確定能夠保證孔眼穩(wěn)定所允許的最大負壓差［7］。

2.2.1 孔眼穩(wěn)定準則

油井射孔完成后，孔眼處于復雜的三向應力狀態(tài)。為便于分析，將模型進行簡化，只考慮單個孔眼的情形（見圖1。圖中：r為壓實帶外緣一點離孔眼中心軸的距離；pwf為井底壓力；pe地層壓力；Lp為孔眼深度）。

圖1 單個孔眼模型空間構形示意

2.2.1.1 孔眼應力平衡與非達西滲流的耦合模型

根據(jù)力學穩(wěn)定性、對稱性，可將它簡化為平面應變軸對稱問題，認為孔眼為圓柱形孔眼。

力平衡微分方程為

假設孔眼圍巖具有良好的塑性，由摩爾-庫侖準則有：

式中：Sθ為孔眼切向應力，MPa；Sr為孔眼徑向應力，MPa；S0為巖石的內聚力，MPa；p為孔隙壓力，MPa；σr為有效徑向應力，MPa；φ為巖石的內摩擦角，（°）。

在負壓射開儲層的瞬間，由于突然施加的壓差使流體流經(jīng)孔眼周圍處的流速非常大，在短時間內該流場是非達西非定常狀況，而且壓力波的傳播也非常快。假定孔眼周圍的流動為非達西擬穩(wěn)定流動，只考慮單個孔眼的情形，則：

式中：Qo，qo分別為射孔井和單個孔眼的流量，m3/d；n為射孔密度，孔/m；h為射開厚度，m；β為紊流系數(shù)，1/cm；K為壓實帶滲透率，10-3μm2。

將式（7）代入式（5）得孔眼應力平衡與非達西滲流的耦合模型：

2.2.1.2 孔眼穩(wěn)定準則

當孔眼周圍巖石的滲透率較低，或流入孔眼的流量較高，或油層部分打開時，致使孔眼周圍的壓降梯度較高，巖石在受載期間極易產(chǎn)生張力破壞。而負壓打開儲層的瞬間，孔眼周圍由于壓實帶的存在使其滲透率較低，瞬時非達西效應使得流體流入孔眼的流速足夠大。為避免孔眼的張力破壞，比較保守的設計就是避免在孔眼內壁處產(chǎn)生凈張應力。而只有當處的值小于0時，才會出現(xiàn)凈張應力，因此，允許最大不出砂負壓的條件為

2.2.2 最大負壓的確定

根據(jù)孔眼穩(wěn)定準則，由式（9）得

聯(lián)合求解式（4）、（8）、（11），即可得到保證孔眼穩(wěn)定所允許的最大負壓差（-pwf）。如果地層巖石內聚力和內摩擦角不能取得，可由Perkins和Coates給出的經(jīng)驗公式計算：

式中：φ為巖石孔隙度，%；Vsh為巖石泥質質量分數(shù)，%；Eb為巖石體積模量，MPa；E為巖石彈性模量，MPa。

2.3 合理射孔負壓的確定

選用最小負壓計算方法得到Δpmin，之后就可以給出最佳的射孔負壓值。目前常用的確定最佳射孔負壓Δprec的方法如下。

一般情況而言，Δpmax≥Δpmin（Δpmax為負壓射孔的最大負壓值），若油井無出砂史，此時最佳負壓值為

若有出砂史，或者含水飽和度大于50%，則最佳負壓值為

Δpmax≤Δpmin在儲層巖石弱膠結或未膠結的情況下才會出現(xiàn)。此時的Δpmax成為了負壓約束條件，為了防止地層出砂影響產(chǎn)能甚至導致油井垮塌，則需：

3 實際效果比較

本文選取渤海某油田作為實例。該油田總體主要開發(fā)明化鎮(zhèn)油層，采用“平衡射孔，大負壓反涌”技術［8］。油層平均孔隙度30.3%，平均滲透率643×10-3μm2，原始地層壓力11.93～17.31 MPa，原油密度0.891 g/cm3，原油黏度6.04 mPa·s?？紤]到射孔槍參數(shù)的一致性，選取11口井進行負壓值設計，并和實際使用效果進行比較（見表2［9］）。

表2 校正后的射孔彈參數(shù)

不同設計方法的設計值如表3所示。現(xiàn)場實際作業(yè)吐砂情況統(tǒng)計結果如表4所示。

結合現(xiàn)場實際作業(yè)使用值和吐砂情況統(tǒng)計結果，對比各井在實際作業(yè)負壓值條件下的表現(xiàn)，分析如下：

1）美國巖心公司的經(jīng)驗公式只能夠計算最小負壓值，與現(xiàn)場實際應用差距較大，不具有實用性。

2）美國CONOCO公司計算方法和VANN公司方法計算結果相似。對于B平臺的7口井（B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7），實際使用的負壓值要大于設計的負壓值。從放噴出砂情況看，與實際作業(yè)中存在大量沉砂現(xiàn)象是比較吻合的。對于A平臺的A1，A19井，實際射孔負壓值要小于計算的負壓值。理論上講，清除壓實帶的效果較差，而現(xiàn)場實際情況是這2口井沒有沉砂，吻合較好。對于A24井，實際射孔負壓值要小于計算的負壓值，理論上實際作業(yè)中不應該存在出砂現(xiàn)象，但實際作業(yè)中少量出砂，說明吻合較差。同樣，對于A31井，實際射孔負壓值與理論計算值相當，理論上會少量出砂，但實際中大量出砂，吻合較差。

表3 不同設計方法所得負壓值 MPa

表4 射孔后現(xiàn)場作業(yè)吐砂情況統(tǒng)計

3）Behrmann計算方法得到的負壓值要大于實際應用負壓值1倍左右。考慮地層非均質性差異太大，如果按照Behrmann計算結果進行負壓放噴，很容易破壞巖石顆粒骨架，將會存在更多的沉砂。

4）對于B平臺的7口井（B1—B7），本文方法計算得到的負壓值與實際射孔負壓值更吻合?，F(xiàn)場作業(yè)記錄的現(xiàn)象顯示，放噴取得了良好的效果，射孔孔眼壓實帶的砂層被有效地排出，所以會存在沉砂現(xiàn)象。而對于A平臺的2口未吐砂井（A1，A19），射孔后放噴，負壓值小于計算得到的理論負壓值，不能有效地清除射孔孔眼壓實帶和炸藥碎屑，現(xiàn)場記錄中無沉砂的現(xiàn)象給予了證實。對于A平臺其他井（A24，A31），實際負壓值均大于理論計算值，存在沉砂現(xiàn)象，吻合較好。

4 結論

1）射孔后孔眼周圍形成壓實帶，對孔眼周圍巖石性質造成影響：一方面表現(xiàn)為對地層孔隙度和密度影響較小，另一方面滲透率顯著降低，巖石強度在孔眼邊緣幾乎為0，直到深入地層一定深度才逐漸恢復原狀巖石的強度。

2）根據(jù)海上眾多已實施的負壓射孔作業(yè)效果統(tǒng)計分析結果來看，美國巖心公司的經(jīng)驗公式和Behrmann計算方法并不適用于海上疏松砂巖油藏負壓值的計算。CONOCO公司計算方法和VANN公司方法計算結果相似，有一定的適用性，但與現(xiàn)場實際作業(yè)現(xiàn)象吻合有好有差。

3）本文建立的射孔負壓值計算方法，同時考慮了巖石力學性質、流體特性，能反映射孔彈尺寸、類型的影響，考慮因素較全面，有一定的理論基礎和適用性。與其他方法相比較，計算結果更加準確，與現(xiàn)場作業(yè)情況更吻合，對“平衡射孔，大負壓反涌”技術的應用具有很好的指導意義。

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（編輯 李宗華）

Accurate design method of perforating negative pressure for offshore unconsolidated sand oilfield

SUN Lianwei,WANG Pingshuang,WU Guang′ai,WEN Min
(CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China)

Using negative pressure to clear the compacted zone pollution formed at high temperature and high pressure during the perforating moment is a common and effective way.To determine the value of negative pressure is one of the most important parameters for underbalanced perforating.Currently recommended practices of designing negative pressure differ from each other and have different effects.Through analyzing effects of the numerous domestic offshore underbalanced perforating operations combining with rock mechanics wellbore stability theory,a new method of designing negative pressure value for underbalanced perforating has been developed,and the accuracy has been greatly improved.

underbalanced perforation;negative pressure value;compaction zone;blast hole cleaning

國家科技重大專項課題“多枝導流適度出砂技術”（2011ZX05024-003）

TE257+.1

A

10.6056/dkyqt201606034

2016-03-28；改回日期：2016-09-07。

孫連偉，男，1988年生，碩士，2013年畢業(yè)于中國石油大學（華東），現(xiàn)從事鉆完井方面的工作。E-mail：sunlw4@cnooc. com.cn。

孫連偉，王平雙，武廣璦，等.適合海上疏松砂巖油藏的射孔負壓值設計方法［J］.斷塊油氣田，2016，23（6）：846-850.

SUN Lianwei，WANG Pingshuang，WU Guang′ai，et al.Accurate design method of perforating negative pressure for offshore unconsolidated sand oilfield［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：846-850.