孫連偉，王平雙，武廣璦，文敏

（中海油研究總院，北京 100027）

適合海上疏松砂巖油藏的射孔負(fù)壓值設(shè)計(jì)方法

孫連偉，王平雙，武廣璦，文敏

（中海油研究總院，北京 100027）

利用負(fù)壓的方式清除射孔彈道內(nèi)由于射孔瞬間高溫和高壓形成的壓實(shí)帶污染，是一種常用和有效的做法，而負(fù)壓值的確定是負(fù)壓射孔中最重要的參數(shù)之一。目前，國(guó)際上流行的推薦做法繁多，效果各異，這給現(xiàn)場(chǎng)選擇應(yīng)用帶來了困難。為此，在對(duì)比分析不同負(fù)壓設(shè)計(jì)方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，考慮地層參數(shù)獲取的難易程度，結(jié)合巖石力學(xué)井壁穩(wěn)定理論，提出了一種更適合海上疏松砂巖油藏的負(fù)壓值確定方法。通過對(duì)國(guó)內(nèi)海上許多已實(shí)施的負(fù)壓射孔作業(yè)效果進(jìn)行分析對(duì)比，證明該方法計(jì)算簡(jiǎn)單方便，同時(shí)準(zhǔn)確性得到了大幅度提高。

負(fù)壓射孔；負(fù)壓值；壓實(shí)帶；炮眼清潔

0 引言

射孔過程中，聚能射孔彈引爆后形成的壓力沖擊波迅速向外擴(kuò)散，使孔眼周圍的巖石發(fā)生塑性變形，巖石顆粒被迅速向射孔孔眼外擠壓，形成壓實(shí)帶，造成孔眼周圍地層巖石性質(zhì)發(fā)生變化。研究表明，破碎巖石顆粒導(dǎo)致射孔孔眼周圍滲透率降低，巖石強(qiáng)度在孔眼邊緣幾乎為0，直到深入地層一定深度才逐漸恢復(fù)巖石強(qiáng)度原狀，射孔對(duì)孔隙度的影響不是很明顯。所以，如何消除射孔對(duì)孔眼周圍地層滲透率的影響是業(yè)界一直關(guān)注的問題。

為了提高油氣井的產(chǎn)能，有效清除由于射孔作業(yè)引起的彈道壓實(shí)和碎屑的污染，業(yè)界在射孔作業(yè)中廣泛地使用負(fù)壓射孔方式，以在射孔瞬間使得儲(chǔ)層和井筒之間形成有效的負(fù)壓環(huán)境，達(dá)到破壞射孔彈道壓實(shí)及返排清洗射孔碎屑的效果。

不論是靜態(tài)負(fù)壓射孔，還是動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔，孔眼的流動(dòng)和清潔效率直接與負(fù)壓值相關(guān)，因而，負(fù)壓值是負(fù)壓射孔的關(guān)鍵參數(shù)之一。負(fù)壓值的確定需要綜合考慮2個(gè)方面：一方面，設(shè)計(jì)方法要確保較高的準(zhǔn)確性。射孔所用負(fù)壓值一旦偏小或者偏大，都會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)造成重大損失。另一方面，負(fù)壓值的計(jì)算要簡(jiǎn)單方便。在負(fù)壓值的設(shè)計(jì)階段，地層資料獲取較少，這就要求負(fù)壓值的設(shè)計(jì)方法所依賴的地層參數(shù)要少。

目前的負(fù)壓值設(shè)計(jì)方法有很多，大多依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來。這類方法多是根據(jù)滲透率、聲波時(shí)差及地層的出砂情況等來確定最小和最大負(fù)壓值，計(jì)算簡(jiǎn)單方便，但是由于考慮的因素簡(jiǎn)單，缺少一定的理論基礎(chǔ)，其適用范圍受到一定限制［1］。此外，不同方法計(jì)算得到的負(fù)壓值也不盡相同，甚至在相同儲(chǔ)層條件下的設(shè)計(jì)結(jié)果差異都很大，選擇采用哪種設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)和合理面臨挑戰(zhàn)。

本文在總結(jié)分析負(fù)壓計(jì)算的常用方法及局限性的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論，提出一種新的負(fù)壓值設(shè)計(jì)方法，并通過統(tǒng)計(jì)歸納眾多海上油氣井的真實(shí)資料和實(shí)際作業(yè)效果，分析驗(yàn)證各種方法的適用性。

1 常用射孔負(fù)壓值確定方法

海上疏松砂巖油藏進(jìn)行常規(guī)負(fù)壓射孔時(shí)，安全負(fù)壓值范圍是0.8～2.0 MPa，如此低的負(fù)壓值不能夠完全解除射孔作業(yè)對(duì)地層造成的壓實(shí)損害，降低了地層的滲透率；負(fù)壓值如果選擇過大，由于疏松砂巖巖石強(qiáng)度低，會(huì)導(dǎo)致出砂非常嚴(yán)重，容易砂埋射孔槍，造成卡鉆等井下工程事故：因此，海上疏松砂巖油藏射孔負(fù)壓值的準(zhǔn)確選取顯得尤為重要。在工程實(shí)踐中，負(fù)壓值確定方法主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法。經(jīng)驗(yàn)方法的建立和形成是基于大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累、統(tǒng)計(jì)和分析，代表性的方法［2-5］見表1。

表1 常用負(fù)壓設(shè)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)對(duì)比

由表1可以看出，目前常用的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，更多的是從計(jì)算簡(jiǎn)便的角度出發(fā)，考慮因素有限，準(zhǔn)確性難以保證，負(fù)壓值計(jì)算與巖石力學(xué)性質(zhì)及流體特性沒有關(guān)聯(lián)，也不能體現(xiàn)射孔彈參數(shù)的影響，難以適應(yīng)海上疏松砂巖油藏負(fù)壓值設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。近年來，針對(duì)負(fù)壓設(shè)計(jì)的理論研究越來越多，在各種技術(shù)文獻(xiàn)中也陸續(xù)提出了一些新的設(shè)計(jì)方法和思路。本文根據(jù)渤海海上疏松砂巖油藏負(fù)壓射孔的特點(diǎn)，優(yōu)選Tariq提出的模型作為計(jì)算最小負(fù)壓值的方法，并結(jié)合西南石油大學(xué)提出的最大出砂負(fù)壓模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，作為最大負(fù)壓的計(jì)算方法，進(jìn)而建立適用于海上疏松砂巖油藏的最佳負(fù)壓值計(jì)算方法。

2 射孔負(fù)壓值計(jì)算方法的建立

2.1 保證孔眼清潔的最小負(fù)壓設(shè)計(jì)方法

射孔損害主要有臨時(shí)性傷害和永久性傷害2種。負(fù)壓射孔的目的是獲得清潔的無傷害孔眼。主要機(jī)理是，射孔后在孔眼周圍形成負(fù)壓環(huán)境，使孔眼附近地層與孔眼之間存在足夠大的壓力梯度和流速，使永久性傷害物質(zhì)剝離地層并運(yùn)移出射孔孔眼，從而恢復(fù)儲(chǔ)層的滲透能力。因此，獲得清潔孔眼的最小負(fù)壓需要解決2個(gè)問題，即多大的壓力梯度和流速能夠使孔眼周圍壓實(shí)帶剝離并運(yùn)移出孔眼、多大的負(fù)壓值才能達(dá)到需要的壓力梯度和流速。

Tariq認(rèn)為，在無因次時(shí)間tD達(dá)到0.1時(shí)，負(fù)壓的影響將達(dá)到或超過壓實(shí)帶外邊界［6］。因此，可以近似假設(shè)此時(shí)壓實(shí)帶半徑rc處壓力為pr，而孔壁rp處的壓力（近似為井底壓力）為pwf。假設(shè)負(fù)壓足以造成非達(dá)西流（足以清潔孔眼）且rc處雷諾數(shù)達(dá)到臨界值Rec，則此負(fù)壓即為最小負(fù)壓Δpmin。利用Forchheimer二項(xiàng)式方程，從rp到rc積分，經(jīng)推導(dǎo)可以得出Δpmin的解析方程：

式中：μo為原油黏度，mPa·s；rp為孔眼半徑，cm；ρo為原油密度，g/cm3；Kcz為壓實(shí)帶滲透率，10-3μm2。

在使用Tariq的公式時(shí)，Rec取0.05，若μo大于1.2 mPa·s，則將μo取為1.2 mPa·s。

2.2 防止地層出砂的最大負(fù)壓設(shè)計(jì)方法

根據(jù)斯倫貝謝研究人員的試驗(yàn)結(jié)果，負(fù)壓能夠清洗孔眼主要依靠的是最初的高速非達(dá)西流動(dòng)，而后期的穩(wěn)定流動(dòng)作用不大。因此，本文利用巖石力學(xué)參數(shù)和流體流動(dòng)特征參數(shù)，結(jié)合孔眼力學(xué)穩(wěn)定方程和非達(dá)西滲流方程，綜合分析確定能夠保證孔眼穩(wěn)定所允許的最大負(fù)壓差［7］。

2.2.1 孔眼穩(wěn)定準(zhǔn)則

油井射孔完成后，孔眼處于復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài)。為便于分析，將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，只考慮單個(gè)孔眼的情形（見圖1。圖中：r為壓實(shí)帶外緣一點(diǎn)離孔眼中心軸的距離；pwf為井底壓力；pe地層壓力；Lp為孔眼深度）。

圖1 單個(gè)孔眼模型空間構(gòu)形示意

2.2.1.1 孔眼應(yīng)力平衡與非達(dá)西滲流的耦合模型

根據(jù)力學(xué)穩(wěn)定性、對(duì)稱性，可將它簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變軸對(duì)稱問題，認(rèn)為孔眼為圓柱形孔眼。

力平衡微分方程為

假設(shè)孔眼圍巖具有良好的塑性，由摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則有：

式中：Sθ為孔眼切向應(yīng)力，MPa；Sr為孔眼徑向應(yīng)力，MPa；S0為巖石的內(nèi)聚力，MPa；p為孔隙壓力，MPa；σr為有效徑向應(yīng)力，MPa；φ為巖石的內(nèi)摩擦角，（°）。

在負(fù)壓射開儲(chǔ)層的瞬間，由于突然施加的壓差使流體流經(jīng)孔眼周圍處的流速非常大，在短時(shí)間內(nèi)該流場(chǎng)是非達(dá)西非定常狀況，而且壓力波的傳播也非常快。假定孔眼周圍的流動(dòng)為非達(dá)西擬穩(wěn)定流動(dòng)，只考慮單個(gè)孔眼的情形，則：

式中：Qo，qo分別為射孔井和單個(gè)孔眼的流量，m3/d；n為射孔密度，孔/m；h為射開厚度，m；β為紊流系數(shù)，1/cm；K為壓實(shí)帶滲透率，10-3μm2。

將式（7）代入式（5）得孔眼應(yīng)力平衡與非達(dá)西滲流的耦合模型：

2.2.1.2 孔眼穩(wěn)定準(zhǔn)則

當(dāng)孔眼周圍巖石的滲透率較低，或流入孔眼的流量較高，或油層部分打開時(shí)，致使孔眼周圍的壓降梯度較高，巖石在受載期間極易產(chǎn)生張力破壞。而負(fù)壓打開儲(chǔ)層的瞬間，孔眼周圍由于壓實(shí)帶的存在使其滲透率較低，瞬時(shí)非達(dá)西效應(yīng)使得流體流入孔眼的流速足夠大。為避免孔眼的張力破壞，比較保守的設(shè)計(jì)就是避免在孔眼內(nèi)壁處產(chǎn)生凈張應(yīng)力。而只有當(dāng)處的值小于0時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)凈張應(yīng)力，因此，允許最大不出砂負(fù)壓的條件為

2.2.2 最大負(fù)壓的確定

根據(jù)孔眼穩(wěn)定準(zhǔn)則，由式（9）得

聯(lián)合求解式（4）、（8）、（11），即可得到保證孔眼穩(wěn)定所允許的最大負(fù)壓差（-pwf）。如果地層巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角不能取得，可由Perkins和Coates給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：φ為巖石孔隙度，%；Vsh為巖石泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Eb為巖石體積模量，MPa；E為巖石彈性模量，MPa。

2.3 合理射孔負(fù)壓的確定

選用最小負(fù)壓計(jì)算方法得到Δpmin，之后就可以給出最佳的射孔負(fù)壓值。目前常用的確定最佳射孔負(fù)壓Δprec的方法如下。

一般情況而言，Δpmax≥Δpmin（Δpmax為負(fù)壓射孔的最大負(fù)壓值），若油井無出砂史，此時(shí)最佳負(fù)壓值為

若有出砂史，或者含水飽和度大于50%，則最佳負(fù)壓值為

Δpmax≤Δpmin在儲(chǔ)層巖石弱膠結(jié)或未膠結(jié)的情況下才會(huì)出現(xiàn)。此時(shí)的Δpmax成為了負(fù)壓約束條件，為了防止地層出砂影響產(chǎn)能甚至導(dǎo)致油井垮塌，則需：

3 實(shí)際效果比較

本文選取渤海某油田作為實(shí)例。該油田總體主要開發(fā)明化鎮(zhèn)油層，采用“平衡射孔，大負(fù)壓反涌”技術(shù)［8］。油層平均孔隙度30.3%，平均滲透率643×10-3μm2，原始地層壓力11.93～17.31 MPa，原油密度0.891 g/cm3，原油黏度6.04 mPa·s?？紤]到射孔槍參數(shù)的一致性，選取11口井進(jìn)行負(fù)壓值設(shè)計(jì)，并和實(shí)際使用效果進(jìn)行比較（見表2［9］）。

表2 校正后的射孔彈參數(shù)

不同設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)值如表3所示?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)吐砂情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)使用值和吐砂情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)比各井在實(shí)際作業(yè)負(fù)壓值條件下的表現(xiàn)，分析如下：

1）美國(guó)巖心公司的經(jīng)驗(yàn)公式只能夠計(jì)算最小負(fù)壓值，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用差距較大，不具有實(shí)用性。

2）美國(guó)CONOCO公司計(jì)算方法和VANN公司方法計(jì)算結(jié)果相似。對(duì)于B平臺(tái)的7口井（B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7），實(shí)際使用的負(fù)壓值要大于設(shè)計(jì)的負(fù)壓值。從放噴出砂情況看，與實(shí)際作業(yè)中存在大量沉砂現(xiàn)象是比較吻合的。對(duì)于A平臺(tái)的A1，A19井，實(shí)際射孔負(fù)壓值要小于計(jì)算的負(fù)壓值。理論上講，清除壓實(shí)帶的效果較差，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況是這2口井沒有沉砂，吻合較好。對(duì)于A24井，實(shí)際射孔負(fù)壓值要小于計(jì)算的負(fù)壓值，理論上實(shí)際作業(yè)中不應(yīng)該存在出砂現(xiàn)象，但實(shí)際作業(yè)中少量出砂，說明吻合較差。同樣，對(duì)于A31井，實(shí)際射孔負(fù)壓值與理論計(jì)算值相當(dāng)，理論上會(huì)少量出砂，但實(shí)際中大量出砂，吻合較差。

表3 不同設(shè)計(jì)方法所得負(fù)壓值 MPa

表4 射孔后現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)吐砂情況統(tǒng)計(jì)

3）Behrmann計(jì)算方法得到的負(fù)壓值要大于實(shí)際應(yīng)用負(fù)壓值1倍左右?？紤]地層非均質(zhì)性差異太大，如果按照Behrmann計(jì)算結(jié)果進(jìn)行負(fù)壓放噴，很容易破壞巖石顆粒骨架，將會(huì)存在更多的沉砂。

4）對(duì)于B平臺(tái)的7口井（B1—B7），本文方法計(jì)算得到的負(fù)壓值與實(shí)際射孔負(fù)壓值更吻合。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)記錄的現(xiàn)象顯示，放噴取得了良好的效果，射孔孔眼壓實(shí)帶的砂層被有效地排出，所以會(huì)存在沉砂現(xiàn)象。而對(duì)于A平臺(tái)的2口未吐砂井（A1，A19），射孔后放噴，負(fù)壓值小于計(jì)算得到的理論負(fù)壓值，不能有效地清除射孔孔眼壓實(shí)帶和炸藥碎屑，現(xiàn)場(chǎng)記錄中無沉砂的現(xiàn)象給予了證實(shí)。對(duì)于A平臺(tái)其他井（A24，A31），實(shí)際負(fù)壓值均大于理論計(jì)算值，存在沉砂現(xiàn)象，吻合較好。

4 結(jié)論

1）射孔后孔眼周圍形成壓實(shí)帶，對(duì)孔眼周圍巖石性質(zhì)造成影響：一方面表現(xiàn)為對(duì)地層孔隙度和密度影響較小，另一方面滲透率顯著降低，巖石強(qiáng)度在孔眼邊緣幾乎為0，直到深入地層一定深度才逐漸恢復(fù)原狀巖石的強(qiáng)度。

2）根據(jù)海上眾多已實(shí)施的負(fù)壓射孔作業(yè)效果統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來看，美國(guó)巖心公司的經(jīng)驗(yàn)公式和Behrmann計(jì)算方法并不適用于海上疏松砂巖油藏負(fù)壓值的計(jì)算。CONOCO公司計(jì)算方法和VANN公司方法計(jì)算結(jié)果相似，有一定的適用性，但與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)現(xiàn)象吻合有好有差。

3）本文建立的射孔負(fù)壓值計(jì)算方法，同時(shí)考慮了巖石力學(xué)性質(zhì)、流體特性，能反映射孔彈尺寸、類型的影響，考慮因素較全面，有一定的理論基礎(chǔ)和適用性。與其他方法相比較，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況更吻合，對(duì)“平衡射孔，大負(fù)壓反涌”技術(shù)的應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)意義。

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［8］李斌，黃煥閣，鄧建明，等.簡(jiǎn)易防砂完井技術(shù)在渤海稠油油田的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2007，29（3）：25-28.

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（編輯 李宗華）

Accurate design method of perforating negative pressure for offshore unconsolidated sand oilfield

SUN Lianwei,WANG Pingshuang,WU Guang′ai,WEN Min
(CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China)

Using negative pressure to clear the compacted zone pollution formed at high temperature and high pressure during the perforating moment is a common and effective way.To determine the value of negative pressure is one of the most important parameters for underbalanced perforating.Currently recommended practices of designing negative pressure differ from each other and have different effects.Through analyzing effects of the numerous domestic offshore underbalanced perforating operations combining with rock mechanics wellbore stability theory,a new method of designing negative pressure value for underbalanced perforating has been developed,and the accuracy has been greatly improved.

underbalanced perforation;negative pressure value;compaction zone;blast hole cleaning

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題“多枝導(dǎo)流適度出砂技術(shù)”（2011ZX05024-003）

TE257+.1

A

10.6056/dkyqt201606034

2016-03-28；改回日期：2016-09-07。

孫連偉，男，1988年生，碩士，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），現(xiàn)從事鉆完井方面的工作。E-mail：sunlw4@cnooc. com.cn。

孫連偉，王平雙，武廣璦，等.適合海上疏松砂巖油藏的射孔負(fù)壓值設(shè)計(jì)方法［J］.斷塊油氣田，2016，23（6）：846-850.

SUN Lianwei，WANG Pingshuang，WU Guang′ai，et al.Accurate design method of perforating negative pressure for offshore unconsolidated sand oilfield［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：846-850.