鄧躍 盧宇* 周賢東
重慶科技大學(xué) 重慶 434000
射孔是壓裂井高壓液體作用與地層的連通渠道,射孔所形成孔眼的優(yōu)劣對壓裂裂縫起裂及擴(kuò)展有著重要影響,將直接影響儲層改造效果。隨著射孔技術(shù)的發(fā)展,逐漸形成了螺旋射孔、定向射孔、定面射孔、限流射孔、極限限流射孔、等孔徑射孔、分簇射孔等不同的射孔工藝技術(shù)來配合壓裂進(jìn)行施工作業(yè)。本文將簡要介紹非常規(guī)油氣藏多簇壓裂中常用的分簇射孔、限流射孔技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀,并探討其發(fā)展方向。
分簇射孔技術(shù)是針對非常規(guī)致密儲層水平井分段壓裂提出的一種新型射孔方法。在一個(gè)壓裂段內(nèi),通過精確控制射孔位置,以一定射孔簇間距一次射開多個(gè)射孔簇,每簇形成多個(gè)射孔孔眼,以期在壓裂時(shí)形成段內(nèi)形成多條裂縫或者復(fù)雜縫網(wǎng),進(jìn)而最大化提升裂縫與儲層接觸面積,從而提高油氣井產(chǎn)量[1-2]。分簇射孔施工過程中可以配合新型定向和定面技術(shù)如圖1所示,在確定確定原地應(yīng)力場方位后,利用裂縫優(yōu)先垂直于最小水平應(yīng)力擴(kuò)展原理,通過改變射孔槍的角度和方向,在有利射孔方位射孔形成初始孔道,進(jìn)而降低壓裂過程中射孔起裂壓力、提高射孔簇效率[2-3]。在精細(xì)化分段分簇優(yōu)化壓裂位置和射孔簇位置的基礎(chǔ)上,利用定向射孔或定面射孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)在不同方向上進(jìn)行射孔,能滿足非常規(guī)油氣藏復(fù)雜地質(zhì)特征條件下的射孔需求,當(dāng)前已較好應(yīng)用于頁巖油氣的開發(fā)。
圖1 定向、定面射孔示意圖[3]
多簇壓裂過程中簇間誘導(dǎo)應(yīng)力影響下,多簇間非均衡擴(kuò)展嚴(yán)重,限流射孔可有效改善簇間干擾。Somanchi等人在2017年基于限流射孔基礎(chǔ)上提出了極限限流射孔技術(shù)(XLE),即限制能讓壓裂液體通過的射孔孔眼數(shù)量,將簇間的限流射孔摩阻提高到1500 psi以上,顯著提升井底施工壓力,有效壓裂開啟各個(gè)射孔簇,可提高各簇起裂效率和裂縫均衡擴(kuò)展程度??蓪?shí)現(xiàn)避免部分射孔簇過早起裂或僅集中破裂某些射孔簇而造成的段內(nèi)改造效果不佳的問題[4-5]。極限限流射孔技術(shù)中因射孔孔數(shù)有限,對適合的射孔孔徑大小要求較高,在一定孔徑條件下,根據(jù)壓裂段內(nèi)所需摩阻通過統(tǒng)一降低各簇射孔孔密或非均勻孔數(shù)布孔進(jìn)行限流設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)段內(nèi)更好的起裂、均衡裂縫擴(kuò)展的壓裂目的。
射孔簇參數(shù)與多簇間的裂縫競爭起裂擴(kuò)展存在顯著關(guān)系,是分簇射孔技術(shù)的關(guān)鍵。射孔簇參數(shù)包括射孔簇位置、簇間距、射孔孔徑、孔密、相位等。分簇限流射孔技術(shù)主要在其他射孔參數(shù)確定基礎(chǔ)上展開孔數(shù)或孔徑的優(yōu)化限制。
XLE技術(shù)分為1.0和2.0兩個(gè)階段,1.0版本目標(biāo)是找到每個(gè)壓裂段的最大簇?cái)?shù)量,同時(shí)仍能提供良好的射孔簇效率和裂縫改造均勻性。例如,在巴肯和三叉井地層中使用XLE技術(shù)進(jìn)行分簇射孔,壓裂段內(nèi)設(shè)計(jì)30~32段,每段6~15簇,每英尺2~3孔,簇間距33英尺,以超過1500 psi的射孔摩阻設(shè)計(jì)。XLE 2.0設(shè)計(jì)壓裂25~27段,每段8~20簇,每英尺1孔,超過1500 psi的射孔摩阻設(shè)計(jì),簇間距低于30英尺。XLE 1.0射孔簇效率達(dá)到73%~95%,而XLE 2.0簇效率則為85%~100%,通過極限限流控制射孔簇摩阻的設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升簇效率低限[4-5]。射孔摩阻過高受到壓裂泵組施工能力的限制,因此,需要考慮各射孔簇所有可能方向上的孔眼直徑大小,能有效打開的孔眼數(shù)量與段內(nèi)總孔數(shù)間的匹配關(guān)系。在Marcellus頁巖油氣藏中,常用射孔設(shè)計(jì)方案包括常規(guī)射孔設(shè)計(jì)、極限射孔設(shè)計(jì)、錐形射孔設(shè)計(jì)[5]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用均勻射孔孔眼布置,以覆蓋整個(gè)目標(biāo)層段,然而這種射孔模式在該頁巖地層中無法有效形成裂縫網(wǎng)絡(luò),從而限制了單井改造效果的提升。通過對比實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),極限限流設(shè)計(jì)可以提高簇效率,并在最大泵送排量下實(shí)現(xiàn)較好改造效果,但需結(jié)合極限限流摩阻需求,綜合考慮射孔孔眼數(shù)量、射孔位置、孔徑等影響,形成配套極限限流射孔參數(shù)。錐形設(shè)計(jì)通過在射孔孔眼周圍形成錐形凹槽,增加了套管和地層中穿透的射孔孔眼的面積和流通能力,可有效提高壓裂時(shí)裂縫的擴(kuò)展效果和連接性,從而提高壓裂改造效果。實(shí)踐表明,該頁巖地層中,段內(nèi)10簇XLE設(shè)計(jì)比段內(nèi)7簇錐形設(shè)計(jì)壓裂效果表現(xiàn)更好,錐型射孔為該區(qū)塊的射孔效率提升提供了新思路。然而,關(guān)于錐形和限流設(shè)計(jì)組合使用,在Marcellus頁巖地層目前還需要進(jìn)一步的研究和探索[5-6]。針對國內(nèi)頁巖氣藏的開發(fā)中分簇射孔的應(yīng)用,如長寧龍馬溪組頁巖氣區(qū)塊通常采用等孔徑射孔,段內(nèi)主體簇?cái)?shù)6~8簇,簇長度0.5m,孔數(shù)控制在6~8孔/簇左右,配合暫堵壓裂施工,目前逐步探索使用的差異化布簇射孔參數(shù)優(yōu)化等嘗試也取得了較好壓裂效果。
射孔孔徑是分簇限流射孔技術(shù)中另外一個(gè)影響壓裂改造效果的參數(shù),Cramer等[7]人研究表明,在壓裂段內(nèi)射孔簇間支撐劑的分配存在跟趾偏差,即跟部較趾部射孔簇聚集了更多的支撐劑。壓前孔眼形態(tài)和壓后孔眼形態(tài)如圖2所示,無論是采用極限限流射孔(XLE)還是錐形射孔設(shè)計(jì),跟端射孔簇孔眼均模式更為嚴(yán)重。這可能是由于射孔槍套間隙差異、支撐劑流經(jīng)跟端的更多或孔眼在跟部簇中的位置相對較低,造成壓裂液攜帶支撐劑的沖涮和磨蝕。因此,在分簇射孔設(shè)計(jì)時(shí)需考慮磨蝕跟趾偏差沖蝕孔眼的問題。復(fù)雜儲層地質(zhì)特征條件下段內(nèi)多簇壓裂時(shí),段內(nèi)各射孔簇間力學(xué)差異、非均勻地應(yīng)力差異顯著,射孔孔眼磨蝕進(jìn)一步加劇對多簇裂縫非均衡擴(kuò)展的不利影響。尤其是在XLE和錐形射孔設(shè)計(jì)時(shí),更需綜合考慮跟部射孔簇中的孔眼磨蝕的影響,進(jìn)一步優(yōu)化分簇射孔參數(shù)設(shè)計(jì),降低段內(nèi)射孔簇的跟趾偏差和射孔孔眼磨蝕的不利影響,實(shí)現(xiàn)均衡支撐劑展布,從而提高壓裂效果。
圖2 壓前孔眼形態(tài)和壓后孔眼形態(tài)[6]
分簇射孔技術(shù)在實(shí)踐和應(yīng)用中不斷發(fā)展,其發(fā)展方向包括結(jié)合地質(zhì)工程一體化技術(shù),圍繞提高多簇壓裂改造效果,展開分簇射孔工藝和參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的提升。主要體現(xiàn)在結(jié)合目前發(fā)展迅速的大數(shù)據(jù)和人工智能領(lǐng)域技術(shù),基于區(qū)塊或單井獲取的大量與儲層質(zhì)量和可壓性相關(guān)的測井?dāng)?shù)據(jù)庫,建立智能優(yōu)化模型,展開精細(xì)化的分段分簇射孔優(yōu)化。結(jié)合目標(biāo)區(qū)塊儲層地質(zhì)力學(xué)特征,采用分簇射孔優(yōu)化配合多輪次暫堵壓裂工藝優(yōu)化。研發(fā)精準(zhǔn)定向和定面技術(shù)、新型射孔工具、工藝及增效射孔彈型,降低射孔損傷、提升射孔孔道質(zhì)量。另外,針對大規(guī)模壓裂特別是憋壓較高的限流射孔條件下套管損壞、套變極大影響了油井安全生產(chǎn),優(yōu)化分簇射孔參數(shù)合理降低分簇射孔起裂壓力,防止套損、套變發(fā)生是當(dāng)前深層頁巖氣壓裂面臨的重要問題。多簇射孔密切割壓裂已成趨勢,配合暫堵壓裂促進(jìn)多簇裂縫均衡擴(kuò)展和儲層改造最大化,探索優(yōu)化射孔簇參數(shù)與多簇暫堵炮眼壓裂參數(shù)的匹配關(guān)系也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。多簇壓裂井射孔技術(shù)的提升將為進(jìn)一步提高非常規(guī)油氣藏和致密儲層的壓裂改造效果提供技術(shù)支撐。
(1)分簇射孔配合定向、定面、等孔徑射孔及XLE射孔是提高壓裂改造效果的關(guān)鍵技術(shù)之一。
(2)分簇射孔優(yōu)化研究應(yīng)充分考慮地質(zhì)工程一體化,結(jié)合人工智能展開精細(xì)分簇及限流,為多簇壓裂裂縫均衡起裂及擴(kuò)展提供可靠支撐。
(3)分簇射孔優(yōu)化發(fā)展方向包括分簇射孔優(yōu)化防止套變,配合暫堵壓裂射孔優(yōu)化,及研發(fā)新型射孔工具和增效射孔彈型等。