張虎, 黎濤, 章松橋, 門媛媛, 同劍, 劉謙

(中國兵器工業(yè)第213研究所, 陜西 西安 710061)

0 引 言

多級脈沖射孔技術(shù)是在單脈沖高能氣體壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種復(fù)雜巖層地應(yīng)力松弛的新方法。該技術(shù)可以克服單脈沖高能氣體壓裂對地層作用時間短、壓裂縫長不足的缺點,受到了越來越廣泛的重視[1-4]。目前,直井多級脈沖氣體加載壓裂施工工藝已基本成熟,但在海上油田裸眼水平井上進行多級脈沖氣體加載壓裂技術(shù)在中國未見報道。

裸眼水平井完井射孔參數(shù)的設(shè)計多級脈沖與套管完井情況下完全不同,因為在裸眼井尤其是裸眼水平井中,井眼的不規(guī)則性和易垮塌性很容易造成射孔后埋槍的工程事故。因此,要根據(jù)不同的井況設(shè)計不同的射孔參數(shù),研究復(fù)合射孔器火藥在井下的燃燒特征。本文對海上油田裸眼水平井B-××井進行了嚴(yán)格的設(shè)計,成功運用多級脈沖增效射孔技術(shù),射孔后地層壓裂效果顯著。

1 平湖油田后續(xù)油氣產(chǎn)能的開發(fā)

平湖油田自1998年11月投產(chǎn)已連續(xù)生產(chǎn)十幾年,各井產(chǎn)量遞減嚴(yán)重,采出程度約45%,綜合含水達95%左右。天然氣的大量產(chǎn)出,地層壓力下降較多。目前在生產(chǎn)的十幾口油(氣)井對已開發(fā)的油(氣)藏都有了較高程度的動用,為了充分動用儲量,保證后續(xù)油氣產(chǎn)量的穩(wěn)定,提出了開發(fā)P11層。該次射孔的B-××井是首期開發(fā)井中的第3口,是老井加深的生產(chǎn)氣井,設(shè)計井深(主井眼)4 705.5 m,地層壓力系數(shù)約1.3,射孔層溫度137 ℃。針對以上復(fù)雜地層因素,采用多級脈沖復(fù)合射孔技術(shù),對火藥延時點火、火藥的燃速控制及裝藥量等參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。B-××井井身結(jié)構(gòu)見圖1。

2 射孔器材優(yōu)化設(shè)計

2.1 射孔槍規(guī)格確定

射孔槍外徑主要是根據(jù)裸眼井尺寸選擇,該井目的層比較深并且在水平裸眼段。目的層裸眼井段的井徑為152.4 mm且第1次復(fù)合射孔。針對這種裸眼水平井,有Φ114 mm和Φ127 mm這2種規(guī)格的射孔槍可供選擇。若使用Φ127 mm的射孔槍,射孔彈和射孔槍的配合更趨合理,穿孔深度和孔徑比較大,射孔效果較好?？紤]到目的層射孔段為裸眼水平井,射孔器爆炸后會發(fā)生膨脹和彎曲變形,水平井射孔槍在井下處于平躺狀態(tài),下放或上提的摩擦阻力高,裸眼井坍塌易造成射孔槍被埋,上提射孔槍至“狗腿彎處”或縮頸點存在卡槍的風(fēng)險,射孔槍外徑越大,風(fēng)險越大。適當(dāng)降低射孔槍尺寸,“以空間換安全”是必須的,因此最終選擇了Φ114 mm的雙盲孔射孔槍。同時要求射孔槍最好選用抗內(nèi)壓大于70 MPa,以盡可能減小射孔后槍的膨脹性和毛刺高度。另外,考慮到裸眼下射孔管柱可能會遇阻,需要下壓或大張力上提震擊,下井工具全部設(shè)計成抗擠壓、抗拉、抗壓的器材。

2.2 彈架設(shè)計

通常情況下Φ114 mm的射孔槍配材料為Q195,Φ65 mm×1.5 mm的直縫焊管作為彈架管,該規(guī)格的彈架在縱向沖擊力的作用下易發(fā)生彎曲或斷裂。采用材料Q235、壁厚2 mm彈架的抗拉能力比1.5 mm壁厚的彈架管能提高45%[5]。為了提高彈架的強度,增加彈架的抗破壞能力,Φ114 mm射孔槍采用材料為Q235、Φ65 mm×2 mm的直縫焊管作為彈架。彈架在射孔槍內(nèi)通過定位槽定位,采取徑向扶正措施,防止射孔器在井下劇烈震動導(dǎo)致固彈系統(tǒng)遭受損害。固定彈架兩端設(shè)計導(dǎo)爆索螺口鎖緊機構(gòu),對導(dǎo)爆索密度影響小,方便調(diào)整,防止人為操作失誤造成導(dǎo)爆索損傷。

2.3 射孔參數(shù)優(yōu)化

平湖氣田儲層為深灰色、灰色泥巖,孔隙溶洞發(fā)育,影響油氣井產(chǎn)能的射孔參數(shù)主要有彈型、孔密、相位和鉆井損害程度。從射孔優(yōu)化的角度,將彈型和孔密控制作為首選,在射孔施工必須確保安全可靠的前提下進行射孔參數(shù)優(yōu)化。B-××井鉆遇油層埋藏較深,地層溫度高達137 ℃,故所有的火工品全部采用耐高溫的產(chǎn)品。射孔彈性能指標(biāo)見表1。

從表1可見,DP48HMX45-1彈各項性能指標(biāo)都優(yōu)于DP45HMX38-3彈,但考慮到射孔彈要與Φ114 mm的射孔槍相匹配,裸眼井射孔完井采用DP45HMX38-3彈比較合理。適當(dāng)降低射孔穿深不至于對生產(chǎn)井的最終產(chǎn)能產(chǎn)生明顯影響,且裝藥量少,在射孔后槍體產(chǎn)生變形小,有利于管柱的上提,提高了射孔管柱的安全性。為了提高射孔后油井產(chǎn)能,在射孔彈間設(shè)計旁置藥盒。在相對較低的孔密下,水平井的產(chǎn)率與垂直井相比要高得多,水平井射孔完井在較低孔密下就能獲得期望的產(chǎn)率比,在此基礎(chǔ)上依據(jù)射孔彈的直徑和旁置藥盒的厚度將射孔槍的孔密設(shè)計為13 孔/m,根據(jù)鉆井軌跡在油層中的位置確定射孔相位為90 °。

3 復(fù)合射孔管柱設(shè)計

射孔采用TCP多級脈沖式復(fù)合正壓射孔;射孔段處于水平裸眼段,設(shè)計的射孔管柱結(jié)構(gòu)為震擊器+鉆桿+單流閥+安全接頭+加重鉆桿+投球丟槍裝置+壓力開孔裝置+鉆桿+防沉沙裝置+壓力延時點火頭+射孔槍+壓裂藥柱+射孔槍+壓裂藥柱。射孔段管柱結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 B-××水平井射孔管柱示意圖

為防止射孔管柱受裸眼井眼不規(guī)則遇阻,即使射孔后埋槍也便于起出,射孔槍以上的工具全部加工成3in*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同鉆桿扣。射孔管柱下到位后,井口正加壓點火,加壓到點火壓力后繼續(xù)打壓到壓力開孔裝置的循環(huán)孔打開,地面放壓,確認(rèn)槍響后,迅速把射孔槍起出射孔段,以防止射孔槍被埋。如果射孔后井壁垮塌管柱被埋,起不出來,需管柱內(nèi)投球,加壓釋放射孔槍,起出丟槍裝置以上的管柱。

4 多級火藥分裝

4.1 射孔槍內(nèi)裝藥量

根據(jù)火箭發(fā)動機燃燒室內(nèi)壓力計算原理,可以把增效射孔槍視為一個火箭發(fā)動機藥室,槍體內(nèi)開孔孔眼面積總和看作是發(fā)動機的噴喉,則增效射孔槍內(nèi)壓力可由火箭發(fā)動機的燃燒室內(nèi)壓力公式計算[6]

pmax=(ρcμ1kn)1/(1-n)

(1)

式中,pmax為槍內(nèi)峰值壓力,kg/cm2;ρ為槍內(nèi)裝藥密度,kg/cm3;c為裝藥的特征速度,m/s;kn為面喉比(kn=S/S1,S為槍體內(nèi)裝藥的總表面面積,S1為槍體孔眼的總面積之和);n為裝藥的壓強指數(shù);μ1為裝藥的燃速系數(shù)。

4.2 射孔槍下掛火藥量的確定

射孔槍二級增效火藥量取決于火藥燃燒后在井筒內(nèi)產(chǎn)生的峰值壓力大小,該峰值壓力必須高于地層的破裂壓力。在裸眼井不垮塌的前提下,應(yīng)盡量提高峰值壓力。峰值壓力越高,產(chǎn)生的裂縫越長。根據(jù)火藥做功理論,峰值壓力為

(2)

式中,p0為井筒靜壓力,MPa;m為裝藥量,kg;f為火藥定容火藥力,kJ/kg;φ為與火藥氣態(tài)產(chǎn)物比熱容比有關(guān)的系數(shù),無量綱;α為推進劑藥柱的余容,cm3/kg;V0為增效火藥在套管中燃燒形成的空腔,根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定。在確定了需要的峰值壓力后,由式(2)即可計算出二級增效火藥的裝藥量。

根據(jù)公式計算并結(jié)合實踐經(jīng)驗,每米射孔槍內(nèi)總裝藥量為500 g,換算成產(chǎn)品每米射孔槍內(nèi)裝13個前置藥盒和11個旁置藥盒。二級增效火藥的總裝藥量為24 kg,該裝藥量在有套管的情況下完全滿足設(shè)計要求。施工在裸眼水平井射孔完井,如果將全部火藥集中在一起,射孔后火藥爆燃產(chǎn)生的峰值壓力過高,有可能會導(dǎo)致井內(nèi)坍塌,射孔管柱被卡的現(xiàn)象。因此,將二級增效火藥設(shè)計成分段組裝,中部下掛2個Φ84 mm×500 mm的快燃速壓裂彈,尾部下掛4個Φ84 mm×500 mm的慢燃速壓裂彈。通過設(shè)計不同燃速的壓裂彈以及分段組裝,有效降低火藥燃燒后產(chǎn)生的峰值壓力,避免裸眼井塌落造成射孔管柱被卡,火藥燃燒產(chǎn)生的氣體對地層的持續(xù)壓裂脈沖時間增加,延長了地層裂縫長度,有效改善地層的導(dǎo)流效果。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2011年8月25日對B-××井進行多級脈沖射孔施工,起爆壓力計算如下。

(1) 計算井筒靜液柱壓力

p液=井垂深×壓井液密度×0.0098

(3)

壓井液密度現(xiàn)場實測值為1.4 g/cm3,則

p液=3689×1.4×0.0098=50.61

(4)

(2) 確定起爆器剪切銷數(shù)量

常溫下單支剪切銷剪切值為3.09 MPa,考慮材質(zhì)強度誤差±4.5%,從剪切銷強度—溫度關(guān)系曲線可查知,油層溫度137 ℃時單支剪切銷剪切值降低9%。故單支剪切銷剪切值為

τ=3.09×(1±4.5%)×(1-9%)

=2.67～2.95

(5)

按油田射孔作業(yè)規(guī)范的要求,井口附加7 MPa安全起爆壓力,因此實際剪切銷數(shù)為

n=(p液+7)/剪切銷最小值

=(50.61+7)/2.67

=22

(6)

(3) 確定井口加壓值p

pmax=剪切最大值×n-p液

=2.95×22-50.61

=14.29

(7)

pmin=剪切最小值×n-p液

=2.67×22-50.61

=8.13

(8)

取井口加壓最高值pmax,作用在井底的壓力為pmax+p液=64.9 MPa,小于水平井射孔槍抗外壓力80 MPa,因此設(shè)計的起爆壓力及地面加壓值合理,能夠保證施工的安全可靠。

現(xiàn)場采用TCP檢測系統(tǒng),井口加壓時TCP監(jiān)測儀監(jiān)測結(jié)果顯示有明顯疊加的回波信號,該信號證明射孔槍響(見圖3、圖4)。

圖3 TCP監(jiān)測信號圖譜

圖4 B-××井p—t測試圖

對B-××井進行了多級脈沖增效射孔技術(shù)優(yōu)化,與同塊區(qū)沒有進行多級脈沖射孔優(yōu)化的常規(guī)射孔效果對比分析,平均產(chǎn)液量提高了8.75 t/d,平均產(chǎn)油量提高了2.8 t/d。單井產(chǎn)量超過或接近預(yù)期產(chǎn)量,成果的應(yīng)用有效提高了單井產(chǎn)能,取得較好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

6 結(jié) 論

(1) 裸眼水平井完井多級脈沖射孔參數(shù)的設(shè)計與套管完井完全不同,要根據(jù)不同的井況設(shè)計不同的射孔參數(shù),研究復(fù)合射孔器火藥在井下的燃燒特征,在已知井筒能夠承受最高壓力的情況下,可以計算所需要的火藥量以及裝藥方式。

(2) B-××井采用了多級脈沖增效射孔技術(shù),射孔后對地層壓裂效果顯著,測試結(jié)果超過預(yù)期產(chǎn)量,而且安全性能良好?，F(xiàn)場試驗進一步從實施效果上驗證了多級脈沖加載壓裂技術(shù)的特點和優(yōu)勢。該井一次點火成功,為今后裸眼水平井完井射孔參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。

參考文獻:

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