張 波

?

涪陵深層頁(yè)巖氣井降低起裂壓力用定面射孔器

張 波

（勝利石油工程有限公司測(cè)井公司，山東 東營(yíng)，257000）

涪陵頁(yè)巖氣地層破裂壓力高，并且水力壓裂時(shí)施工泵壓高，使得致密油藏壓裂增產(chǎn)措施無(wú)法實(shí)施，達(dá)不到預(yù)期效果。針對(duì)這些問(wèn)題，根據(jù)射孔爆轟后產(chǎn)生的射孔在套管同一橫截面的套管壁上形成按圓周分布的孔眼，多個(gè)孔眼及其對(duì)應(yīng)的地層中的孔道在地層形成了沿井筒徑向的應(yīng)力集中，利用該應(yīng)力集中引導(dǎo)壓裂，使裂縫向井筒徑向擴(kuò)展，以控制裂縫走向的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出特殊定面射孔器。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該定面射孔器能夠滿足油田后期的致密油、薄油層、需要進(jìn)行分段壓裂的常規(guī)油藏及非常規(guī)油氣藏的開(kāi)發(fā)要求。

射孔器；頁(yè)巖氣；起裂壓力；定面

隨著涪陵頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的不斷深入，二期產(chǎn)建區(qū)將成為未來(lái)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，新建開(kāi)發(fā)區(qū)域構(gòu)造變化復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：構(gòu)造更加復(fù)雜、地層產(chǎn)狀陡且變化快、埋深加大（垂深超過(guò)3 500m）、巖石力學(xué)參數(shù)變化[1]等。針對(duì)涪陵頁(yè)巖氣井地層破裂壓力高、水力壓裂時(shí)施工泵壓高，使得致密油藏壓裂增產(chǎn)措施無(wú)法實(shí)施，或者達(dá)不到預(yù)期效果等問(wèn)題，本文從射孔與水力壓裂關(guān)聯(lián)機(jī)制進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出適合涪陵頁(yè)巖氣壓裂開(kāi)采的定面射孔器材，試驗(yàn)顯示，此種射孔器能夠有效降低地層破裂壓力。

1 射孔與水力壓裂關(guān)聯(lián)機(jī)制

射孔方案是影響壓裂改造效果各因素中的人為可控性因素。射孔孔眼為井筒和儲(chǔ)層之間提供一種連通方式，在水力壓裂施工期間，射孔孔眼也是向地層輸送壓裂液體的通道。水力裂縫從射孔孔道起裂、發(fā)展，因此，射孔序列與裂縫方位的關(guān)系是頁(yè)巖氣射孔方案中最重要的部分。在射孔方案設(shè)計(jì)中，射孔參數(shù)的選擇對(duì)壓裂施工的質(zhì)量有很大的影響，應(yīng)當(dāng)綜合考慮孔眼大小、射孔深度、孔密、射孔相位、射孔方向等因素，降低近井筒摩阻損失，同時(shí)控制多條裂縫的產(chǎn)生與延伸，提高低滲透/致密油藏壓裂改造效果。Pinnacle公司的Minner, W.A., Wright, C.A等人研究表明[2]：受分層地應(yīng)力和射孔方案影響，縱向裂縫擴(kuò)展形態(tài)差異明顯。如圖1所示，當(dāng)采取不限流射孔方案時(shí)，由于油層上部地層地應(yīng)力較低，裂縫主要沿上部地層擴(kuò)展；采取均勻分布限流時(shí)，各射孔端部均產(chǎn)生破裂，形成多個(gè)破裂小縫；采用多點(diǎn)限流措施時(shí)，在上下部巖層及儲(chǔ)層均產(chǎn)生破裂；采用儲(chǔ)層局部點(diǎn)源射孔方式時(shí)，液流量集中，形成主裂縫擴(kuò)展。

圖1 射孔相位角控制井筒局部裂縫鏈接

對(duì)于已知裂縫平面的情況，采用180°相位定方位射孔，可以大大減少射孔孔眼摩阻和提高壓裂施工處理效果。如果不能保證定向射孔精度，孔眼和主裂縫平面夾角最好不要超過(guò)30°。如果裂縫平面方位未知或射孔槍定向不具備條件時(shí)，推薦使用60°相位角。通過(guò)對(duì)射孔參數(shù)的合理選擇，不僅可以降低破裂壓力、減少裂縫彎曲摩阻，還可以提高壓裂的成功率。

對(duì)于大斜度井，裂縫的起裂、雁行裂縫的連接以及裂縫的重定向直接與射孔參數(shù)關(guān)聯(lián)，因此，射孔參數(shù)的選擇更為關(guān)鍵。如果井筒正好位于主裂縫平面，采用垂向180°相位定向射孔最佳，或者180°定向到井筒最小周向壓應(yīng)力方向。對(duì)于大位移水平井（井傾斜角大于75°），如果井筒走向與主裂縫面夾角較大，推薦采用分段集中高孔密多相位射孔，每段集中在1m范圍內(nèi)，通過(guò)有效層段封隔工具，可以實(shí)現(xiàn)水平井多裂縫系統(tǒng)生產(chǎn)[3]。

2 定面射孔方法與裝置

2.1 定面射孔方法

定面射孔方法與裝置是根據(jù)需要實(shí)施作業(yè)的儲(chǔ)層特性，確定射孔作業(yè)要滿足的對(duì)地層開(kāi)孔的數(shù)量，在射孔裝置中按預(yù)定的角度設(shè)置多發(fā)射孔彈，射孔爆轟后產(chǎn)生的孔道在套管同一橫截面的套管壁上形成按圓周分布的孔眼，多個(gè)孔眼及其對(duì)應(yīng)的地層中的孔道在地層形成沿井筒徑向的應(yīng)力集中，利用該應(yīng)力集中引導(dǎo)壓裂，使裂縫向井筒徑向擴(kuò)展，以控制裂縫的走向。在垂直于最小主應(yīng)力的平面上形成多個(gè)孔眼，孔眼排布可形成沿井筒橫向的應(yīng)力集中，能夠有效控制裂縫走向，降低地層破裂壓力。壓裂時(shí)的裂縫走向沿井筒橫向擴(kuò)展，避免段與段之間壓裂裂縫的交叉串通，提高縫網(wǎng)系統(tǒng)的完善程度，提高產(chǎn)能。定面射孔方案如圖2所示。通過(guò)預(yù)設(shè)射孔彈角度，使射孔彈產(chǎn)生的射流在固定圓周位置形成橫向圓周，誘導(dǎo)壓裂。定面射孔器由射孔槍體、彈架、射孔彈、導(dǎo)爆索組成。

2.2 射孔槍體設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

采用射孔槍內(nèi)特殊的分簇布彈方式，每簇為3發(fā)或6發(fā)彈，可依據(jù)壓裂裂縫方位要求個(gè)性化定面布孔設(shè)計(jì)，射孔后形成特定的壓裂通道；射孔槍內(nèi)分簇布彈的簇?cái)?shù)可按照單井的水力壓裂設(shè)計(jì)要求配套設(shè)計(jì)；射孔槍槍體盲孔與布彈方式匹配，保證射孔槍體影響射孔彈的穿深程度保持一致；選用射孔槍體通用32CrMo4材料；盲孔形狀和布局設(shè)計(jì)射角相位一致，以簇為單位，按照相位循環(huán)。

2.2.2 主要指標(biāo)

槍身外徑：89mm，95mm，102mm，127mm；耐溫指標(biāo)：160℃/48h；耐壓指標(biāo)：140~160MPa。

2.3 彈架設(shè)計(jì)

根據(jù)地層要求設(shè)計(jì)彈孔的相位布局和射角，通過(guò)彈孔的相位布局和射角確定彈架上彈孔的相位排布和幾何尺寸，射孔彈裝配至彈架上，通過(guò)導(dǎo)爆索串聯(lián)，由射孔彈、導(dǎo)爆索、彈架組成的彈架組件放于射孔槍體內(nèi)，構(gòu)成定面射孔器，如圖3所示。通常彈孔滿足每簇3發(fā)或6發(fā)彈相位設(shè)計(jì)和定面圓周尺寸的射角設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)裝彈效果與定面布孔設(shè)計(jì)的一致。

圖3 四相位定面射孔器

2.4 射孔彈的選取

使用特殊研制的超大孔徑聚能射孔彈，能夠保證盡可能大的水力壓裂泄流面積，實(shí)現(xiàn)降低起裂壓力、促進(jìn)有效縫網(wǎng)形成及延伸的目的。孔徑不小于15mm，穿深不小于500mm。

3 定面射孔對(duì)套管損傷分析

為保證定面射孔后套管的安全性，利用ANSYS分析套管定面射孔與常規(guī)螺旋排布射孔后套管強(qiáng)度的下降值，對(duì)比分析定面射孔后套管的安全性。如圖4所示，套管為60°夾角形成孔眼。

圖4 套管射流形成角度

套管在定面射孔開(kāi)孔后，其抗擠毀強(qiáng)度的下降值與螺旋布孔的40孔/m的高孔密射孔后相當(dāng)，分析結(jié)果見(jiàn)表1，由多年的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)可知，螺旋布孔的40孔/m的高孔密射孔套管強(qiáng)度能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，由此可知定面射孔可以滿足水力壓裂的要求。

表1 螺旋布孔高孔密射孔與定面射孔套管強(qiáng)度對(duì)比

Tab.1 Comparison of casing strength between helical high density perforating and oriented side perforating

4 定面射孔穿套管可靠性驗(yàn)證

為檢測(cè)定面射孔器橫向射流定面效果，采用射孔器地面抗爆試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。該方法是為驗(yàn)證射孔器整體抗爆性能以及射孔參數(shù)而建立的一種常規(guī)測(cè)試方法，如圖5所示。

圖5中試驗(yàn)套管采用J55鋼級(jí)套管，外澆注237mm厚水泥環(huán)成型，表層采用6mm厚鋼管焊接加固。圖5中的鋼板與沙袋用于防止射孔瞬間的射孔器上竄，通過(guò)導(dǎo)爆索點(diǎn)燃定面射孔器中的射孔彈，觀察射孔后內(nèi)套管的損傷情況、外套管的定面效果。

試驗(yàn)數(shù)量：1次；試驗(yàn)條件：射孔器外徑89mm；有效槍長(zhǎng)1 000mm；布彈方式：臨孔夾角45°/0°；共12發(fā)（3孔1簇、共4簇）；內(nèi)套管參數(shù)：規(guī)格5 1/2”，長(zhǎng)度1 450mm，鋼級(jí)N80，壁厚10.80mm；外套管參數(shù)：外徑635mm，長(zhǎng)度1 500mm，壁厚10.00mm。

圖5 試驗(yàn)方法示意圖

Fig .5 Test methods diagram

內(nèi)套管試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，外套管試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖6~7可以看出，定面射孔技術(shù)可將射流定在設(shè)計(jì)直徑的橫向射流面位置，能夠滿足垂直井筒截面上射流孔形成預(yù)應(yīng)力，便于后續(xù)的壓裂裂縫沿著預(yù)定方向擴(kuò)展的效果。

圖6 內(nèi)套管試驗(yàn)結(jié)果圖

圖7 外套管試驗(yàn)結(jié)果圖

5 結(jié)語(yǔ)

定面射孔技術(shù)改變了傳統(tǒng)的螺旋排列的射孔方式，使射孔彈按照簇的方式排列，射孔后垂直井筒截面上射流孔形成預(yù)應(yīng)力，使后續(xù)的壓裂裂縫沿著預(yù)定的方向擴(kuò)展，提高了壓裂效果和單井產(chǎn)量，特別適用油田開(kāi)發(fā)后期的致密油、薄油層、需要進(jìn)行分段壓裂的常規(guī)油藏及非常規(guī)油氣藏，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。

[1] 劉曉明.涪陵頁(yè)巖氣藏巖石破裂機(jī)理分析[J]. 長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2017(08):46-50.

[2] C.A.Wright, E.J.Dacis, L.Weijers. Downhole tilimeter fracture mapping: a new tool for directly measuring hydraulic fracture dimensions[J]. Society of Potrolcum Engineers,1998(03): 1-14.

[3] 姜滸,劉書杰,何保生,陳勉,張廣清.定向射孔對(duì)水力壓裂多裂縫形態(tài)的影響實(shí)驗(yàn)[J].天然氣工業(yè),2014(02):66-68.

Oriented Side Perforator Used for Reducing Fracture Initiation Pressure in Deep Shale Gas Well at Fuling

ZHANG Bo

(Logging company of Sheng Li Oilfield Service Co. Ltd., Dongying, 257000)

Aimed at issues of the impracticability or fail of prospective result of dense reservoir fracturing simulation in Fu ling shale gas oilfield, caused by high fracturing pressure of formation and high pumping pressure during fracturing, based on the thought of controlling fractures direction that uses stress concentration to lead fracturing, so as to adjust fractures spread radially towards wellbore, the stress concentration which is formed by holes on same lateral section of casing after perforating and produced channels, the specific oriented side perforator was designed. By test verification, the oriented side perforator is capable of development requirement of conventional and unconventional oil reservoir in dense and thin formation.

Perforator；Shale gas；Fracturing pressure；Oriented side

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.014

1003-1480（2017）06-0054-04

2017-11-09

張波（1971-），男，高級(jí)工程師，從事測(cè)井射孔及資料解釋工作。