唐凱, 陳建波, 陳華彬, 任國輝, 郭曉燕

(中國石油川慶鉆探工程有限公司測井公司, 重慶 400021)

0 引 言

水力壓裂技術(shù)是目前頁巖氣、致密油氣等非常規(guī)油氣藏壓裂完井的主要工藝技術(shù),在水平段小于2 000 m的水平井套管射孔完井中97%以上采用分簇射孔結(jié)合水力壓裂完井工藝。該技術(shù)具有改造效果好、增產(chǎn)顯著等優(yōu)勢,所形成的壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)與常規(guī)壓裂形成的單一對稱裂縫網(wǎng)絡(luò)具有實質(zhì)性的差異[1]。然而,微地震監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn),水力壓裂的改造效果在很大程度上取決于水平井方向與壓裂裂縫方向的關(guān)系。當水平井方向與壓裂裂縫方向平行時,改造效果較差;當水平井方向與壓裂裂縫方向成一定夾角時,改造效果一般;當水平井方向與壓裂裂縫方向垂直時,改造效果最好。

針對這一情況,國內(nèi)外的學者就如何控制裂縫走向、提高縫網(wǎng)系統(tǒng)的完善程度開展了相關(guān)的探索性研究。如斯倫貝謝公司的Andy Martin等[2]探索了油井方向、壓裂平面與射孔相位之間的內(nèi)在聯(lián)系,提出了一些開創(chuàng)性的建議,如Transverse Fracture(橫向平面壓裂)。其實質(zhì)是調(diào)整深穿透和大孔徑射孔彈的射流方向在垂直于套管軸向同一橫截面的內(nèi)壁圓周上形成多個射孔孔眼,改變井筒內(nèi)同一橫截面的地應(yīng)力分布,最終使壓裂裂縫方向垂直于水平井方向,達到最佳改造效果。斯倫貝謝公司非常規(guī)油氣技術(shù)中心的Iran Walton[3]研究了Longitudinal Fracture(傳統(tǒng)縱向壓裂)和Transverse Fracture(橫向平面壓裂)之間的優(yōu)缺點,在射孔與壓裂試驗室進行了大量試驗研究,在比較傳統(tǒng)射孔方式的基礎(chǔ)上提出了新的定面射孔技術(shù)。

本文在綜合國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上開展了定面射孔器的探索性研究,引入了數(shù)值模擬仿真軟件進行輔助設(shè)計和分析,進行了大量室內(nèi)試驗,取得了大量的試驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù),形成一套定面射孔器及工藝技術(shù),在四川盆地某致密氣井中成功進行了現(xiàn)場應(yīng)用。

1 定面射孔器及工藝技術(shù)

1.1 定面射孔器設(shè)計

定面射孔技術(shù)的關(guān)鍵是實現(xiàn)套管同一橫截面多個孔眼定面功能,這一特殊功能的實現(xiàn)依靠的是合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(見圖1)。定面射孔器結(jié)構(gòu)設(shè)計需要兼顧流體泄流面積、射孔角度、孔道深度、孔道孔徑、射孔槍工作壓力等,還需要考慮彈間干擾等后續(xù)要求。設(shè)計方案采用彈托結(jié)構(gòu)、懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計均能夠?qū)崿F(xiàn)定面射孔最優(yōu)化。射孔槍和射孔彈是定面射孔器的核心部件。射孔槍的設(shè)計需要考慮3個方面的因素:材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和射孔沖擊對射孔槍本體的影響。于此,選用高強度35CrMo管材作為定面射孔槍的基礎(chǔ)材料,并開展結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)值分析和強度校核,重點分析射流方向調(diào)整之后射孔槍盲孔中心距的減小對整個射孔槍抗壓強度的影響,以使其整體性能達到定面射孔的需求。

圖1 定面射孔原理示意圖

圖2是定面射孔槍CAE分析結(jié)果。由圖2可見,其Von Mises等效應(yīng)力的最大值為1 002 MPa,射孔槍外表面本體Von Mises等效應(yīng)力在304.6～404.2 MPa,射孔槍內(nèi)表面本體Von Mises等效應(yīng)力在503.8～603.5 MPa,小于材料的屈服強度,滿足強度要求。盲孔處為應(yīng)力集中區(qū),也是整個射孔槍的危險區(qū)域,其盲孔中心Von Mises等效應(yīng)力在802.7～1 002 MPa。根據(jù)CAE分析結(jié)果,優(yōu)化了盲孔結(jié)構(gòu)及深度,使整個定面射孔槍的設(shè)計更加可靠和合理。

圖2 定面射孔槍應(yīng)力云圖

射孔彈是制約定面射孔器的關(guān)鍵因素之一。在定面射孔器的整體結(jié)構(gòu)中,每組由3發(fā)射孔彈組成。調(diào)研資料顯示,國外定面射孔器既有采用大孔徑射孔彈,也有采用深穿透射孔彈的。針對四川某構(gòu)造破裂壓力高、污染嚴重的致密氣藏,通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn),大孔徑射孔彈或普通射孔彈在斜向穿孔過程中能量損耗較大,不容易穿透地層污染帶,斜向穿深淺便成了制約大孔徑射孔彈在定面射孔器中應(yīng)用的主要因素。在此,采用合理的射孔彈內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、炸藥配方、藥型罩結(jié)構(gòu)與配方、制備工藝等關(guān)鍵技術(shù),研制了一種新型定面射孔彈,其穿深性能指標比大孔徑射孔彈提高300%,比普通射孔彈提高約150%。

1.2 定面射孔數(shù)值模擬分析

定面射孔器射孔完成后在同一橫截面上形成類似扇形平面,為實現(xiàn)橫向平面壓裂創(chuàng)造了條件;為準確研究定面射孔孔眼帶來的應(yīng)力集中分布,建立仿真環(huán)形砂巖靶三維模型,模擬低壓力下的應(yīng)力場狀態(tài)。

如圖3所示,模型直徑3 000 mm,中心孔直徑177.8 mm,中等硬度砂巖,砂巖密度2.66 g/cm3,泊松比0.17,彈性模量2.7×104MPa,端面及外圍約束,內(nèi)壓20 MPa。為簡化計算,取一組平面3個射孔孔眼和半幅模型。

圖3 定面射孔數(shù)值模擬分析

模擬結(jié)果顯示,同一扇形平面上的多個射孔孔眼造成了應(yīng)力集中帶,在一定的內(nèi)壓力下,很容易造成巖石破裂和失效,為后期儲層壓裂及深度改造創(chuàng)造了良好的條件,同時也會在一定程度上降低地層的破裂壓力。

1.3 定面射孔參數(shù)優(yōu)化分析

定面射孔參數(shù)優(yōu)化及室內(nèi)試驗是研制定面射孔器必不可少的一部分,也是決定定面射孔器整體性能的關(guān)鍵性試驗。為此,開展了相關(guān)的參數(shù)優(yōu)化試驗及分析,包括槍型、傾角、相位、組數(shù)、組間距、導爆索繞向方式等,對這些參數(shù)開展了大量的室內(nèi)試驗工作。射孔彈水平傾角直接關(guān)系到定面射孔功能的成敗,同時也需綜合考慮射孔穿深、套管內(nèi)徑等因素,通過選取4種角度進行試驗找到了定面射孔器最佳水平傾角。射孔槍每米最大組數(shù)直接關(guān)系到射孔器穿透性能、射孔槍膨脹、彈間干擾等關(guān)鍵問題,通過試驗找到了定面射孔器最佳組數(shù)方案。試驗采用了多種不同的組數(shù)進行對比測試,找出了最佳的最大組數(shù)。經(jīng)過優(yōu)化后的射孔參數(shù),開發(fā)出來的定面射孔器性能均滿足行業(yè)標準要求。

為了對定面射孔器整體性能進行測試,進行了1.3 m標準環(huán)形混凝土靶的測試,模擬套管采用127 mm套管,內(nèi)徑105 mm。試驗結(jié)果表明,定面射孔器達到了預期目標,實現(xiàn)了在套管同一橫截面上形成多個射孔孔眼的目的(見圖4)。

圖4 套管定面功能性試驗

2 定面射孔技術(shù)在致密氣井的應(yīng)用

××101-94-×1井、××101-94-×2井是四川盆地某構(gòu)造上的開發(fā)井組,射孔目的層位為致密砂巖氣藏。為進行施工效果對比,在這2口井的同一層位上交替進行定面射孔和常規(guī)60 °螺旋射孔作業(yè)和壓裂施工。施工完成后,采用MIT24多臂井徑儀進行成像測井與解釋分析。

圖5是定面射孔完成后,采用MIT24多臂井徑儀對同一井段進行成像測井與解釋分析的成果,從曲線及三維成像圖可以明顯看出,在垂直于套管軸向的同一橫截面上形成了多個射孔孔眼,完全達到了定面射孔的工藝技術(shù)要求。同時,在后期對射孔段進行了分段壓裂,表1是定面射孔和常規(guī)射孔壓裂的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)對比。

圖5 定面射孔多臂井徑成像測井與解釋成果

總摩擦阻力系數(shù)近井筒摩擦阻力系數(shù)射孔摩擦阻力/MPa近井筒摩擦阻力/MPa定面射孔52.66117.513.814.36常規(guī)射孔209.74316.364.5414.98

從表1可見,采用定面射孔后,射孔孔眼摩擦阻力的改善程度不明顯,但近井筒摩擦阻力得到大幅度改善。結(jié)合后期的壓裂資料及微地震監(jiān)測資料發(fā)現(xiàn),定面射孔后有利于壓裂裂縫在地層中的擴展和生成,其對儲層的改善程度明顯優(yōu)于常規(guī)射孔技術(shù)。

圖6是定面射孔與常規(guī)射孔后加砂壓裂施工對比曲線。圖6(a)為定面射孔后的加砂壓裂施工曲線,施工排量達9.7 m3/min,施工壓力達54.8 MPa;圖6(b)為常規(guī)射孔后的加砂壓裂施工曲線,施工排量達9.42 m3/min, 施工壓力達58.48 MPa。對比分析可以發(fā)現(xiàn)定面射孔技術(shù)可以在一定程度上降低地層的破裂壓力。

圖6 定面射孔與常規(guī)射孔后加砂壓裂施工曲線

3 結(jié) 論

(1) 大量室內(nèi)試驗以及在四川盆地致密氣井中的應(yīng)用表明,定面射孔技術(shù)與常規(guī)射孔技術(shù)相比,降低了近井筒摩擦阻力和地層破裂壓力,有利于水力壓裂裂縫在地層中的擴展和生成,達到了對儲層進行深度改造的需求。

(2) 通過計算機輔助設(shè)計及分析技術(shù),研究了定面射孔器及其工藝技術(shù)。通過合理調(diào)整射流方向,達到了射孔孔眼在垂直于套管同一軸向平面的設(shè)計目標。

(3) 進行了定面射孔參數(shù)優(yōu)化及室內(nèi)試驗,獲取了最佳的射孔彈水平傾斜角度、射孔組數(shù)、彈間距、最佳相位等關(guān)鍵參數(shù)。

(4) 通過在致密氣井中的現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn),定面射孔技術(shù)降低了近井筒摩擦阻力和地層破裂壓力,為儲層的后續(xù)改造創(chuàng)造了有利條件。

(5) 定面射孔與壓裂的內(nèi)在聯(lián)系、裂縫形成將是定面射孔技術(shù)的發(fā)展方向和研究熱點。微地震監(jiān)測技術(shù)、射孔壓裂試驗等手段的應(yīng)用將加快定面射孔技術(shù)的提高與完善。

參考文獻:

[1] Fisher M K, heinze J R, Harris C D, et al. Optimzing Horizontal Completion Techniques in the Barnett Shale Using Microseismic Fracture Mapping [C]∥ The SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 2004.

[2] Andy Martin, Larry Behrmann. Perforating Requirements for Fracture Stimulation [C]∥ 2012 International Perforating Symposium, 2012.

[3] Lan Walton. Optimal Perforating Design for Hydraulic Fracturing and Wellbore Connectivity in Gas Shales [C]∥ 2009 International Perforating Symposium, 2009.