王海東，陳鋒，歐躍強(qiáng)

唐凱，任國(guó)輝，李奔馳

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司，重慶 400021)

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頁(yè)巖氣水平井分簇射孔配套技術(shù)分析及應(yīng)用

王海東，陳鋒，歐躍強(qiáng)

唐凱，任國(guó)輝，李奔馳

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司，重慶 400021)

[摘要]分簇射孔技術(shù)是頁(yè)巖氣水平井多段、分段壓裂完井工藝中的一項(xiàng)重要技術(shù)，隨著我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的不斷深入，分簇射孔技術(shù)也得到了不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用?；诜执厣淇坠に嚰夹g(shù)原理，重點(diǎn)闡述并分析了分簇射孔工藝中配套的相關(guān)技術(shù)，包括連續(xù)油管射孔、復(fù)合橋塞與射孔聯(lián)作、多級(jí)點(diǎn)火控制、分簇射孔器、泵送工藝參數(shù)優(yōu)化、高壓動(dòng)密封防噴以及管串丟手釋放和安全起爆監(jiān)測(cè)等配套工藝技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明分簇射孔工藝技術(shù)安全適用性，對(duì)頁(yè)巖氣水平井開發(fā)具有重要意義。

[關(guān)鍵詞]頁(yè)巖氣；水平井；分簇射孔；復(fù)合橋塞；多級(jí)點(diǎn)火；多段壓裂

頁(yè)巖氣是指位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集[1]。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)中國(guó)頁(yè)巖氣資源量進(jìn)行的估算，結(jié)果顯示我國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量為134.4×1012m3，技術(shù)可采資源量為31.6×1012m3。經(jīng)過多方測(cè)算分析以及深入研究，認(rèn)為我國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量2015年將超過50×108m3；2020年有望突破300×108m3，占我國(guó)天然氣產(chǎn)量比重的15%左右[2]。頁(yè)巖氣藏因?yàn)轫?yè)巖基質(zhì)孔隙度很低，最高僅為4%～5%，滲透率小于1mD[3]。因此，多級(jí)分段壓裂成為了頁(yè)巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

伴隨著“體積改造”概念的提出并結(jié)合美國(guó)30多年的頁(yè)巖氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，表明了頁(yè)巖氣水平井套管完井及分段壓裂技術(shù)逐漸成為主體技術(shù)模式，而“分段多簇”射孔實(shí)施應(yīng)力干擾是實(shí)現(xiàn)體積改造的技術(shù)關(guān)鍵[4]之一。近幾年國(guó)內(nèi)各大油田和相關(guān)技術(shù)服務(wù)企業(yè)也進(jìn)行了分簇射孔工藝技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，其中川慶鉆探測(cè)井公司于2012年10月在Y101-78-H1井進(jìn)行了國(guó)內(nèi)率先的試驗(yàn)性應(yīng)用。2013～2014年，我國(guó)頁(yè)巖氣富集區(qū)塊(如四川威遠(yuǎn)-長(zhǎng)寧和重慶涪陵焦石壩頁(yè)巖氣田)進(jìn)入了大規(guī)模的開發(fā)階段并獲得了良好的產(chǎn)能，分簇射孔配套工藝技術(shù)得到了規(guī)模化應(yīng)用。

1分簇射孔原理與特點(diǎn)

分簇射孔是指在井筒與地層有效溝通的前提下，運(yùn)用電纜輸送方式，按照泵送設(shè)計(jì)程序，將射孔管串與復(fù)合橋塞采用泵送方式輸送至目的層位，完成橋塞坐封與多簇射孔聯(lián)作的射孔技術(shù)(圖1)。該技術(shù)適應(yīng)于4.5～7in的直井、大斜度井和水平井等各型套管井，目前廣泛地應(yīng)用在頁(yè)巖氣、致密油氣、煤層氣等非常規(guī)油氣藏水平井開發(fā)中。

圖1　分簇射孔管串示意圖

分簇射孔技術(shù)主要特點(diǎn)：①一次下井，可實(shí)現(xiàn)橋塞坐封與多簇射孔聯(lián)合作業(yè)，射孔級(jí)數(shù)可達(dá)到20級(jí)；②與體積壓裂工藝聯(lián)合作業(yè)可增加井筒與油氣層的接觸面積，提髙產(chǎn)收率；③采用套管加砂，可以大排量施工(一般在10～15m3/min)，最大程度地減小施工水馬力損失和施工風(fēng)險(xiǎn)，從而降低施工成本[5]；④作業(yè)時(shí)效高、試油周期短，特別是在采用“工廠化”壓裂開發(fā)模式時(shí)能夠大大節(jié)約完井作業(yè)時(shí)間。

基本作業(yè)流程為：①采用(連續(xù))油管輸送方式進(jìn)行第一段射孔作業(yè)，然后進(jìn)行壓裂，有效溝通地層與井筒；②采用泵送的方式將復(fù)合橋塞與射孔聯(lián)作管串系統(tǒng)輸送至目地層位，進(jìn)行第一級(jí)供電使橋塞坐封，其后對(duì)不同目的層段進(jìn)行多簇射孔；③進(jìn)入壓裂施工程序，按照相關(guān)分簇射孔施工設(shè)計(jì)重復(fù)以上作業(yè)流程；④最后一次性鉆掉所有復(fù)合橋塞或直接進(jìn)入后續(xù)作業(yè)。

2分簇射孔配套技術(shù)

2.1連續(xù)油管輸送射孔

頁(yè)巖氣水平井第一段射孔多數(shù)采用連續(xù)油管射孔，連續(xù)油管輸送二級(jí)射孔器(圖2)至預(yù)定層位，通過井口正加壓與環(huán)空加壓分別起爆射孔器。此外，也可采用油管傳輸射孔，通過井筒內(nèi)加壓起爆射孔器，還可以采用水力噴砂射孔，將水力噴砂射孔與壓裂一體化鉆具下入目的層射孔后，然后關(guān)閉油套環(huán)空控制閘閥進(jìn)行主壓裂[5]。完成了第一段射孔與壓裂作業(yè)后，油氣層與井筒就形成了良好溝通通道，為后續(xù)泵送作業(yè)創(chuàng)造條件。

圖2　連續(xù)油管傳輸射孔示意圖

連續(xù)油管輸送第一段射孔與油管傳輸射孔和水力噴砂射孔作業(yè)相比，具有作業(yè)周期短、經(jīng)濟(jì)效益好、成功率高等特點(diǎn)。此外，目前國(guó)內(nèi)的頁(yè)巖氣水平井水平段長(zhǎng)度較長(zhǎng)，大多在1500～2000m，最長(zhǎng)可達(dá)2500m，選用連續(xù)油管輸送方式完成第一段射孔作業(yè)也更為適合。

2.2復(fù)合橋塞與射孔聯(lián)作

復(fù)合橋塞與射孔聯(lián)作技術(shù)最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了一次下井完成橋塞坐封與多簇射孔作業(yè)。具體過程是指在第一段壓裂完成后，通過電纜一次將復(fù)合橋塞與射孔器管串(見圖1)泵送至井內(nèi)預(yù)定位置，先供電點(diǎn)火燃燒橋塞藥柱，橋塞工具內(nèi)產(chǎn)生的高壓氣體推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)從而坐封復(fù)合橋塞，再回起電纜依次校對(duì)深度定位，地面供電依次完成后續(xù)各簇射孔。

常用的復(fù)合橋塞為投球式橋塞(圖3)和可溶球免鉆大通徑橋塞。復(fù)合橋塞主要特點(diǎn)是采用復(fù)合材料制成，芯軸為鋁制，橋塞內(nèi)置液體通道，以便液體進(jìn)出，可實(shí)現(xiàn)壓后迅速返排和投產(chǎn)[6]；另外具有良好的可鉆性，可采用連續(xù)油管鉆井進(jìn)行快速鉆除，若采用的是大通徑橋塞，則可在壓裂完成后直接投產(chǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性、時(shí)效性。

圖3　復(fù)合材料橋塞

目前國(guó)內(nèi)外較多廠家都已生產(chǎn)出各型復(fù)合橋塞，耐溫150℃，耐壓差70MPa/105MPa，而坐封工具則可采用貝克橋塞坐封工具(10號(hào)或20號(hào))，耐溫204℃，耐壓105～210MPa，適用于4.5～7in套管井作業(yè)。

2.3分簇射孔器

分簇射孔管串中每級(jí)射孔器由單獨(dú)的多級(jí)點(diǎn)火控制器所控制，通過地面控制系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)使相對(duì)應(yīng)的各級(jí)射孔器起爆射孔。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的分簇射孔器主要包括3類，分別為分簇(常規(guī))射孔器、分簇定向射孔器和分簇定面射孔器。單簇射孔器有效射孔長(zhǎng)度一般采用1.0～1.5m。分簇射孔器型號(hào)主要包括73、86、89、102等，耐溫150℃，耐壓105～120MPa，適用于4.5～7in套管井分簇射孔作業(yè)。

分簇(常規(guī))射孔器是指采用常用的螺旋式布彈方式的射孔器。分簇定向射孔器采用了特殊的連接方式，引入水平井定向射孔相關(guān)技術(shù)形成的一類用于分簇射孔的定向射孔器(圖4)，其主要特點(diǎn)是用于解決巷道軌跡偏低、偏移以及防砂等特殊射孔工程的要求。

分簇定面射孔器采用特殊的布彈方式，實(shí)現(xiàn)了在套管同一橫截面上形成多個(gè)射孔孔眼的一類射孔器(圖5)。其特點(diǎn)是可在套管同一扇形平面上的多個(gè)射孔孔眼造成應(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(chǔ)層壓裂及深度改造創(chuàng)造良好的條件[7]。在實(shí)際作業(yè)中，根據(jù)儲(chǔ)層地質(zhì)情況和壓裂改造的相關(guān)技術(shù)要求，可選擇分簇定向或定面射孔器。

圖4　分簇定向射孔示意圖　　　　　　　　　　　　　圖5　分簇定面射孔示意圖

2.4多級(jí)點(diǎn)火控制器

多級(jí)點(diǎn)火控制器又稱為射孔選發(fā)裝置，是實(shí)現(xiàn)分簇射孔的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)裝置。目前國(guó)內(nèi)采用較多的是機(jī)械液控式和電子編碼選發(fā)式多級(jí)點(diǎn)火控制器。機(jī)械液控式點(diǎn)火控制器原理為先點(diǎn)火坐封橋塞，再進(jìn)行第一簇射孔器點(diǎn)火，第一簇射孔器起爆以后，利用液體壓力實(shí)現(xiàn)斷開第一簇射孔器，接通第二簇射孔器，使第二簇射孔器處于待射孔狀態(tài)，然后繼續(xù)進(jìn)行第二簇射孔器的點(diǎn)火(圖6)[8]。電子編碼選發(fā)式多級(jí)點(diǎn)火控制器是通過信號(hào)地址編譯實(shí)現(xiàn)多級(jí)點(diǎn)火控制即每一級(jí)射孔器具有獨(dú)立的數(shù)字地址，通過地面系統(tǒng)輸入查找編碼地址信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多級(jí)供電點(diǎn)火射孔，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)由下而上依次點(diǎn)火，還可以實(shí)現(xiàn)選擇性點(diǎn)火。

圖6　多級(jí)點(diǎn)火示意圖

多級(jí)點(diǎn)火控制器耐溫150～200℃，耐壓140MPa，在理論上機(jī)械式液控點(diǎn)火控制器可實(shí)現(xiàn)無(wú)限的點(diǎn)火級(jí)數(shù)，電子式則最高為20級(jí)，而實(shí)際工作中因受到管串長(zhǎng)度、井況和相關(guān)設(shè)備等條件限制，多數(shù)采用的是3～5級(jí)點(diǎn)火。

2.5泵送參數(shù)優(yōu)化

對(duì)泵送工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是為了提高泵送工藝管串的作業(yè)能力和安全性。綜合考慮了儲(chǔ)層地質(zhì)相關(guān)參數(shù)，結(jié)合井筒參數(shù)(內(nèi)徑、狗腿度、斜率等)、管串參數(shù)(外徑、長(zhǎng)度、重量等)、電纜及相關(guān)裝備參數(shù)等，建立泵送管串在井筒內(nèi)的模型(圖7)。參數(shù)優(yōu)化能夠分析各參數(shù)對(duì)泵送工藝的影響，泵送管串重量與井筒內(nèi)壓力的關(guān)系，計(jì)算電纜頭張力受力及預(yù)測(cè)變化情況，設(shè)計(jì)推薦泵送時(shí)的注入排量和電纜運(yùn)行速度，從而指導(dǎo)泵送管串設(shè)計(jì)，使泵送工藝全程能夠得到有效控制(圖8)。

圖7　泵送管串模型示意圖

2.6高壓動(dòng)密封防噴技術(shù)

分簇射孔是一項(xiàng)全過程帶壓即負(fù)壓井況條件下的射孔作業(yè)，需在井口采用高壓動(dòng)密封防噴系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電纜封井器、防落器、防噴管、抓卡器、電纜防噴控制頭以及注脂液控裝置等組成(圖9)，通徑適用范圍76～160mm，最高耐壓為105MPa。其工作原理是注脂泵工作產(chǎn)生的高壓，通過密封油脂作用在電纜阻流管內(nèi)以平衡地層壓力，通過對(duì)井內(nèi)的壓力控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡下射孔作業(yè)。這樣實(shí)現(xiàn)帶壓密封射孔同時(shí)又把壓井介質(zhì)對(duì)油氣層的污染程度降至最低[9]。

圖8　泵送射孔軟件界面　　　　　　　　　　　　　圖9　井口高壓動(dòng)密封防噴系統(tǒng)示意圖

2.7管串丟手釋放技術(shù)

在實(shí)際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榍岸螇毫训貙映錾?、套管?nèi)沉砂以及高壓壓裂引發(fā)套管變形等原因，使得隨后入井的射孔管串可出現(xiàn)遇阻、遇卡等情況。針對(duì)井下管串運(yùn)行可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況，一方面為了提高管串的安全可靠性，另一方面為了減少后續(xù)的處理難度，降低風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率，特研制并在管串中引入了機(jī)電丟手釋放裝置。

機(jī)電丟手釋放裝置是指在管串遇卡等特殊復(fù)雜情況時(shí)，為保護(hù)電纜和井下管串，通過地面供電信號(hào)激活啟動(dòng)傳壓部件，依靠井內(nèi)高壓推動(dòng)裝置內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)丟手裝置下部的管串釋放。該丟手裝置耐溫150℃，耐壓105MPa，抗拉強(qiáng)度大于200kN，丟手釋放壓力3～5MPa，釋放后的管串可通過連續(xù)油管攜帶專用打撈工具進(jìn)行管串打撈。

2.8起爆安全監(jiān)測(cè)技術(shù)

射孔起爆監(jiān)測(cè)是監(jiān)控并明確井下射孔是否發(fā)生的一種直觀的判斷方法。分簇射孔因全程帶壓作業(yè)，井口區(qū)域是屬于高壓危險(xiǎn)區(qū)，特別是進(jìn)行“工廠化”作業(yè)時(shí)。為保證監(jiān)測(cè)工作的進(jìn)行和監(jiān)測(cè)人員的安全，采用無(wú)線檢測(cè)儀器實(shí)現(xiàn)了射孔起爆無(wú)線監(jiān)測(cè)。該儀器由井口信號(hào)發(fā)射器、信號(hào)接收器和監(jiān)測(cè)軟件組成，既能通過耳機(jī)也可通過軟件顯示井下的震動(dòng)信號(hào)。該套監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)精度高(圖10)，監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，信號(hào)接收范圍廣，在無(wú)阻礙物的情況下，信號(hào)接收的最長(zhǎng)距離可達(dá)到120m。

圖10　分簇射孔無(wú)線監(jiān)測(cè)信號(hào)

3在X井應(yīng)用

3.1X井基本概況

X井為四川盆地的一口頁(yè)巖氣水平井。該井水平段長(zhǎng)度約為2100m，水平段垂深約2380m，井底溫度82℃，采用5.5in套管完井，套管壁厚10.54mm。水平段巖性為灰黑色碳質(zhì)泥巖及深灰色含灰泥巖，完鉆層位下志留統(tǒng)龍馬溪組。

結(jié)合本井鉆錄井情況、測(cè)井綜合解釋、地層巖石力學(xué)特征、井眼軌跡、井筒套管與固井質(zhì)量等因素，在水平段內(nèi)共設(shè)計(jì)26段射孔與壓裂段，每段長(zhǎng)度基本在75～95m，每段射孔簇?cái)?shù)2～3簇，每簇長(zhǎng)度1.0～1.5m。

3.2射孔配套技術(shù)、器材優(yōu)選

1)射孔工藝選擇。井內(nèi)第一段選用連續(xù)油管輸送射孔，射孔簇?cái)?shù)為2簇，每簇長(zhǎng)度1.5m，后續(xù)各段采用電纜攜帶射孔器與橋塞，使用水力泵送方式將橋塞與射孔管串輸送至井內(nèi)預(yù)定層位，依次完成橋塞坐封與多簇射孔聯(lián)作。

2)射孔器優(yōu)選。結(jié)合井筒特征和壓裂改造要求，選用?89mm射孔槍，耐壓為105MPa，孔密20孔/m，相位60°，射孔彈選用配套的“89先鋒”射孔彈，檢測(cè)穿深大于800mm，射孔器耐溫160℃/48h。

3)復(fù)合橋塞優(yōu)選。分段壓裂采用球籠式易鉆復(fù)合橋塞，長(zhǎng)度440mm，外徑109mm，耐溫150℃，耐壓差70MPa。

4)多級(jí)點(diǎn)火控制器優(yōu)選。優(yōu)選電子編碼選發(fā)式多級(jí)點(diǎn)火控制器，耐溫150℃。

5)防噴系統(tǒng)選擇。采用了“140-105”井口防噴設(shè)備，該防噴裝置內(nèi)通徑為140mm，耐壓105MPa。

6)泵送參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用水平井泵送射孔模擬軟件，結(jié)合該井井筒、射孔器配套器材等參數(shù)特征，模擬計(jì)算泵送管串排量與受力情況(圖11、12)。

3.3作業(yè)效果評(píng)價(jià)

2014年1～2月，歷時(shí)12d完成了X井全部26段射孔與壓裂聯(lián)合作業(yè)，其中射孔器發(fā)射69簇，共用射孔彈1560發(fā)，發(fā)射率為100%，坐封復(fù)合橋塞25個(gè)，全部一次性坐封成功，壓裂注入總液量約46000m3，砂量約1344m3。該井在分簇射孔泵送作業(yè)過程中，井口最高泵送壓力約為55MPa，最高泵送排量為1.8m3/min，最低泵送排量為1.6m3/min。

圖11　模擬計(jì)算推薦排量　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖12　纜頭受力情況

2月底，放噴測(cè)試點(diǎn)火成功，獲得了良好的產(chǎn)能，同時(shí)也為我國(guó)頁(yè)巖氣超長(zhǎng)水平井分簇射孔技術(shù)應(yīng)用積累了重要的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)。

4結(jié)論與建議

1)分簇射孔技術(shù)是頁(yè)巖氣開發(fā)中一項(xiàng)重要技術(shù)，配合多級(jí)、分段壓裂作業(yè)，儲(chǔ)層改造效果好，作業(yè)時(shí)效性高，能夠大大縮短試油求產(chǎn)的周期。

2)目前國(guó)內(nèi)各油田相關(guān)技術(shù)單位相繼開發(fā)出分簇射孔工藝技術(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)來(lái)看，取得了良好的應(yīng)用效果，為頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣藏的高效開發(fā)提供了有力的技術(shù)支持。

3)應(yīng)基于目前的工藝技術(shù)基礎(chǔ)，有針對(duì)性地研發(fā)溫度、壓力更高，水平段更長(zhǎng)的配套分簇射孔技術(shù)，以滿足今后可能出現(xiàn)的水平段超長(zhǎng)、井深更深的頁(yè)巖氣水平井的開發(fā)。

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[編輯]黃鸝

Analysis and Application of Matching Technology for Clustering Perforation in Shale-gas Horizontal Wells

Wang Haidong, Chen Feng, Ou Yueqiang, Tang Kai, Ren Guohui, Li Benchi

(FirstAuthor’sAddress:LoggingCompany,ChuanqingDrillingEngineeringCo.Ltd.,CNPC,Chongqing400021,China)

Abstract:The clustering perforation was an important technique in multi-section and sectional fracturing in shale-gas horizontal wells.With the development of shale gas exploration and development in China, the clustering perforation technology has been continuously developed and widely used. Based on the principle of the clustering perforating technology, the related matching technologies, including coiled tubing perforation, composite bridge plug and perforation, clustering perforator, multi-stage ignition control, pumping process parameters optimization, high dynamic pressure prevention, pipe string release and perforation monitoring were mainly introduced and analyzed. The effect of field application indicates that the clustering perforation is safe and applicability, and has very important significance for the development of shale gas horizontal wells.

Key words:shale gas；horizontal well；clustering perforation；composite bridge plug；multi-stage ignition；multi-stage fracturing

[中圖分類號(hào)]TE257.1

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)8-0040-06

[作者簡(jiǎn)介]王海東(1985-)，男，工程師，現(xiàn)從事石油射孔工藝技術(shù)研究與應(yīng)用工作，hd329651168@126.com。

[收稿日期]2015-10-09

[引著格式]王海東，陳鋒，歐躍強(qiáng)，等.頁(yè)巖氣水平井分簇射孔配套技術(shù)分析及應(yīng)用[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2016,13(8):40～45.