張明，李進(jìn)，付建民，韓耀圖，張啟龍

中海石油（中國(guó)）有限公司 天津分公司（天津 300459）

渤海油田經(jīng)過(guò)多年的勘探與開(kāi)發(fā)，部分油田逐年遞減率高達(dá)14%，面臨嚴(yán)峻的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)形勢(shì)，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨諸多技術(shù)難題，如儲(chǔ)層污染、高含水、大斜度井作業(yè)難度大、低滲低效等。目前，渤海油田常用的增產(chǎn)措施主要包括酸化壓裂和新型射孔增產(chǎn)技術(shù)。但酸化壓裂動(dòng)用資源多、成本高，而新型射孔增產(chǎn)技術(shù)具有工序簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)和成本低的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。通過(guò)“十三五”科技攻關(guān)和創(chuàng)新實(shí)踐，渤海油田射孔技術(shù)經(jīng)歷了“為生產(chǎn)而射孔”到“為增產(chǎn)改造而射孔”的技術(shù)提升，在射孔建立油氣通道的同時(shí)，兼顧孔道清潔和油井增產(chǎn)的作用[1-4]，形成了包含動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)、自清潔射孔技術(shù)、水淹層控水射孔技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)在內(nèi)的新型射孔增產(chǎn)技術(shù)體系，有效提高了射孔完井增產(chǎn)效果和作業(yè)效率，延長(zhǎng)了油田開(kāi)發(fā)壽命。

1 油田開(kāi)發(fā)技術(shù)難點(diǎn)

近年來(lái)，渤海油田因儲(chǔ)層污染、高含水、出砂和低滲等原因?qū)е碌牡彤a(chǎn)低效井逐年增多[5]，調(diào)整井已逐漸成為渤海老井挖潛增產(chǎn)的主要手段，然而隨著油田的逐步開(kāi)發(fā)，調(diào)整井地上地下條件日益復(fù)雜，部分油田在調(diào)整實(shí)施階段，油井產(chǎn)能低、效果較差，具體技術(shù)難點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾方面：

1）中深部地層致密，物性復(fù)雜，儲(chǔ)層敏感，射孔過(guò)程應(yīng)以降低儲(chǔ)層污染、提高和改善滲流能力為目標(biāo)。

2）沙河街儲(chǔ)層油井產(chǎn)能不穩(wěn)定，易出現(xiàn)低產(chǎn)、產(chǎn)能降低快等現(xiàn)象；東營(yíng)組合明化鎮(zhèn)組儲(chǔ)層部分井鉆遇泥巖夾層，泥質(zhì)含量高，儲(chǔ)層物性不均，礫石充填防砂效果差，影響油井產(chǎn)能。

3）大斜度井條件下，常規(guī)射孔技術(shù)需要射孔單獨(dú)返涌，工序復(fù)雜、作業(yè)工期長(zhǎng)、儲(chǔ)層浸泡時(shí)間長(zhǎng)，易導(dǎo)致產(chǎn)能降低[6]。同時(shí)，常規(guī)射孔技術(shù)孔徑不均勻，影響充填效果。

4）“雙高階段”油田開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)高含水、高采出程度特征，綜合含水高達(dá)80%，很大一部分井投產(chǎn)3個(gè)月內(nèi)含水迅速上升至90%?！半p高油田”開(kāi)發(fā)過(guò)程中壓力梯度復(fù)雜，鉆井及固井過(guò)程儲(chǔ)層保護(hù)難度大，射孔技術(shù)需兼顧完善程度；雙高油田剩余油挖潛、復(fù)雜邊底水儲(chǔ)層、薄油層、非均質(zhì)儲(chǔ)層高效開(kāi)發(fā)，需要更精準(zhǔn)的射孔技術(shù)，注重產(chǎn)能建設(shè)。

5）以BZ34-2B 平臺(tái)沙河街/東營(yíng)儲(chǔ)層為例的油田，巖性致密，產(chǎn)量遞減快，酸化等措施效果不佳。

2 新型射孔增產(chǎn)技術(shù)體系

為了滿(mǎn)足上述技術(shù)難點(diǎn)需求，通過(guò)增產(chǎn)型射孔技術(shù)的應(yīng)用，最大程度地釋放油井產(chǎn)能，需結(jié)合油藏地質(zhì)特點(diǎn)，優(yōu)化射孔技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)射孔技術(shù)與油氣藏類(lèi)型、地質(zhì)條件、完井工藝和壓裂改造等密切結(jié)合[7]，關(guān)注油井產(chǎn)能及生命周期，提升油田開(kāi)發(fā)效果。針對(duì)渤海油田射孔技術(shù)需求，通過(guò)“十三五”科技攻關(guān)、理論研究和現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)新實(shí)踐，通過(guò)改良射孔工藝及射孔彈，通過(guò)負(fù)壓降低對(duì)射孔帶壓實(shí)的污染，新型射孔彈突破以往傳統(tǒng)射孔彈的思維局限，形成了一系列新型射孔增產(chǎn)技術(shù)（圖1），如動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)、自清潔射孔技術(shù)、等孔徑射孔技術(shù)、高性能氣體壓裂射孔技術(shù)和水淹層控水射孔技術(shù)，在連通地層的瞬間便起到炮眼清潔及炮眼造縫的功能，對(duì)解堵增產(chǎn)起到積極作用。增產(chǎn)型射孔技術(shù)的應(yīng)用，一方面提高了射孔完井和增產(chǎn)效果及作業(yè)效率，另一方面通過(guò)保護(hù)儲(chǔ)層，延長(zhǎng)油田開(kāi)發(fā)壽命。

圖1 增產(chǎn)型射孔技術(shù)體系

2.1 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔工藝技術(shù)

動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔的基本原理是在射孔彈爆轟瞬間，在井筒內(nèi)形成低壓區(qū)域，和地層壓力形成負(fù)壓差，在壓差的作用下射孔碎屑向井筒流動(dòng)，清潔孔道，同時(shí)在高負(fù)壓作用下，破除射孔壓實(shí)帶，提高孔道滲流能力[8-10]。采用動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔時(shí)，需采用專(zhuān)門(mén)的負(fù)壓彈和射孔槍的組合，在較低的負(fù)壓或正壓條件下產(chǎn)生一個(gè)較大的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)壓值。動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔過(guò)程中的井筒壓力變化曲線(xiàn)如圖2、圖3 所示。由圖2、圖3可知，靜態(tài)負(fù)壓射孔對(duì)壓實(shí)帶的改善和孔道清潔作用不如動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔，動(dòng)態(tài)負(fù)壓在涌流沖洗作用下形成清潔孔道，孔道直徑（寬度）明顯加大。對(duì)比平衡壓力射孔，動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔能將射孔孔道內(nèi)清理干凈，射孔孔徑明顯優(yōu)于平衡壓力射孔[11]。

圖2 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔過(guò)程中的井筒壓力變化圖

圖3 靜態(tài)負(fù)壓與動(dòng)態(tài)負(fù)壓對(duì)比圖

高效負(fù)壓清潔炮眼射孔通過(guò)在常規(guī)平衡射孔管柱槍管內(nèi)加裝開(kāi)孔負(fù)壓彈，射孔前槍管內(nèi)壓力為大氣壓，射孔同時(shí)負(fù)壓彈對(duì)槍管開(kāi)孔（不射開(kāi)套管），射孔后儲(chǔ)層與井筒溝通，地層壓力瞬間沖擊回流至槍管內(nèi)，反向沖洗射孔孔道及壓實(shí)帶。動(dòng)態(tài)負(fù)壓值取決于壓降的速度和大小，射孔槍管開(kāi)孔面積越大，射孔槍內(nèi)容積越大，液體回流至槍管內(nèi)越快，時(shí)間越長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)負(fù)壓效果越大。

動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，根據(jù)地層聲波時(shí)差或體積密度，將地層分為致密地層和非致密地層。動(dòng)態(tài)負(fù)壓值選取原則：致密地層（聲波時(shí)差小于328 μs/m）不易出砂，宜采用大負(fù)壓值；非致密地層（聲波時(shí)差大于328 μs/m）有出砂可能，選取適度的負(fù)壓值防止出砂。

針對(duì)致密地層，采用Behrmann公式計(jì)算最小負(fù)壓值，最大負(fù)壓值取套管或者井下工具強(qiáng)度的70%。

當(dāng)K＞100 ×10-3μm2時(shí)，最小負(fù)壓值計(jì)算方法見(jiàn)式（1）：

式中：Δp為負(fù)壓值，MPa；φ為孔隙度，%；D為射孔孔徑，mm；K為地層滲透率，10-3μm2。

2.2 自清潔射孔技術(shù)

研究表明，常規(guī)射孔彈射孔后，在射孔壓力擠壓作用下在孔道附近形成射孔壓實(shí)帶，其滲透率僅為原始地層滲透率的1/5～3/10，嚴(yán)重降低滲透率，影響油井產(chǎn)能[12]。因此，目前的常規(guī)做法是在射孔作業(yè)完成后再進(jìn)行造負(fù)壓返涌，消除射孔壓實(shí)帶和射孔碎屑對(duì)孔道流體滲漏的影響，但該種方法工序復(fù)雜，對(duì)放噴時(shí)間依賴(lài)較大[13]。

通過(guò)射孔彈的結(jié)構(gòu)和彈藥類(lèi)型的改進(jìn)與優(yōu)化，研制射孔后可自動(dòng)清潔孔道壓實(shí)帶和射孔碎屑的自清潔射孔彈，可最大限度保護(hù)儲(chǔ)層，降低射孔對(duì)儲(chǔ)層的傷害。該技術(shù)原理是通過(guò)在藥型罩內(nèi)側(cè)采用一種特殊含能材料，在射孔過(guò)程中，隨射流進(jìn)入孔道，并在孔道內(nèi)瞬間產(chǎn)生高溫高壓氣體，在主孔道附件產(chǎn)生微小裂縫，增加射孔孔道的滲流能力，如圖4所示。同時(shí)，因高溫高壓氣體的產(chǎn)生，孔道內(nèi)壓力遠(yuǎn)超于井筒壓力，在壓差作用下，高壓氣體攜帶射孔碎屑快速?lài)娤蚓?，返排出孔道碎屑，達(dá)到自清潔的效果。此外，自清潔射孔彈采用低碎屑射孔彈技術(shù)，與常規(guī)超深穿透射孔彈起爆后產(chǎn)生碎屑量相比大幅降低，孔容平均增加110.9%。

圖4 自清潔射孔彈射孔孔道示意圖

2.3 等孔徑射孔彈技術(shù)

等孔徑射孔彈技術(shù)主要適用于解決因井斜大導(dǎo)致的射孔槍不居中，從而使得沿井周的射孔孔眼孔徑大小不一致的情況。因孔徑的差異，會(huì)影響后續(xù)壓裂充填或水力壓裂裂縫的起裂和延伸，也會(huì)影響壓裂充填防砂的效果。為解決上述偏心射孔孔道不均勻的難題，渤海優(yōu)選采用等孔徑射孔彈，使得在射孔槍偏心狀態(tài)下（如178 型射孔器最大槍套間隙差為7.2～49.8 mm）各相位的穿孔孔徑及穿深保持均勻，保證了后續(xù)正常壓裂，實(shí)現(xiàn)低滲透油氣井的增效生產(chǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)等孔徑射孔目的，射孔彈原理采用聚能效應(yīng)，炸藥爆炸后壓垮藥型罩，使藥型罩沿法相方向拉伸成高速金屬射流進(jìn)行穿孔。藥型罩采用多元角度結(jié)構(gòu)與藥型罩多配方相結(jié)合的方案，設(shè)計(jì)合理的彈殼結(jié)構(gòu)，優(yōu)化裝藥形狀，最大化利用炸藥能量，使藥型罩產(chǎn)生的射流形狀發(fā)生變化，從而調(diào)整射流擴(kuò)孔段長(zhǎng)度，達(dá)到等孔徑效果。

2.4 高性能氣體壓裂射孔技術(shù)

高性能氣體壓裂射孔技術(shù)是射孔與地層壓裂相結(jié)合的一種增產(chǎn)型射孔工藝技術(shù)，通過(guò)在射孔彈內(nèi)添加火箭推進(jìn)劑，使得射孔過(guò)程中產(chǎn)生高能氣體壓裂射孔孔道，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)聚能射孔對(duì)地層所造成的壓實(shí)帶傷害，有效改善儲(chǔ)層孔道的滲透性和導(dǎo)流能力，達(dá)到油氣井增產(chǎn)增注目的。高性能氣體壓裂射孔技術(shù)的作用機(jī)理包括機(jī)械作用、震動(dòng)脈沖作用、高溫?zé)嶙饔煤突瘜W(xué)作用等方面。

該射孔技術(shù)具有可降低地層的破裂壓力、改善射孔孔眼附近的導(dǎo)流能力，射孔彈燃燒后主要為氣體，對(duì)儲(chǔ)層無(wú)污染、壓裂射孔后的裂縫不需要支撐劑、設(shè)備少、施工簡(jiǎn)單安全等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，高性能氣體壓裂射孔管柱如圖5所示。該技術(shù)主要適用于近井堵塞污染、射孔壓實(shí)帶污染、套變或措施困難井、注水井降壓增注等工況。

圖5 高性能氣體壓裂射孔管柱

2.5 水淹層控水射孔技術(shù)

為了滿(mǎn)足“雙高油田”開(kāi)發(fā)控水需求，以提高控水增油效果為目的，在油水兩相滲流模型建立基礎(chǔ)上，以一定生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)的油井累產(chǎn)含水率最低為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)迭代優(yōu)化表皮系數(shù)和射孔參數(shù)，在常規(guī)射孔思路基礎(chǔ)上，對(duì)比產(chǎn)能、水體錐進(jìn)方式和無(wú)水采油期，優(yōu)化射孔方式，形成水淹層控水射孔優(yōu)化技術(shù)，如圖6所示。

圖6 水淹層控水射孔優(yōu)化技術(shù)

研究表明[14-15]，相比較套管水平井采用均勻孔密射孔技術(shù)而言，采用變密度射孔和定向射孔技術(shù)能起到更好的控水效果。分析不同射孔方式下的含水率變化情況，由圖7可知，均勻孔密射孔無(wú)法有效延緩水體錐進(jìn)，采用定向射孔方式的含水率曲線(xiàn)明顯較裸眼或螺旋均勻密度射孔延緩，可有效延長(zhǎng)無(wú)水采油期、延緩油藏見(jiàn)水時(shí)間。

圖7 不同射孔方式下的含水率預(yù)測(cè)曲線(xiàn)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

自“十三五”科技攻關(guān)以來(lái)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)新實(shí)踐，形成一系列新型射孔增產(chǎn)技術(shù)體系，在渤海油田得到廣泛應(yīng)用，射孔增產(chǎn)效果和降本增效成效顯著，有效滿(mǎn)足了渤海油田射孔增產(chǎn)增效需求。

1）保護(hù)儲(chǔ)層、降低射孔污染和改善滲流能力類(lèi)射孔技術(shù)：動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)在錦州A 油田應(yīng)用4口井，整體產(chǎn)量提高17%，對(duì)比常規(guī)負(fù)壓射孔作業(yè)，省略射孔服務(wù)工具及放噴工具，動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔單井節(jié)省服務(wù)費(fèi)7 萬(wàn)元，單井節(jié)省工期8 h，增產(chǎn)效果見(jiàn)表1；自清潔射孔技術(shù)應(yīng)用于墾利C油田和渤中B油田，共28 口井，改善了導(dǎo)流能力，增產(chǎn)效果顯著，油井的產(chǎn)量提高65.34%～82.57%，增產(chǎn)效果見(jiàn)表2。

表1 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)應(yīng)用增產(chǎn)效果

表2 自清潔射孔技術(shù)應(yīng)用增產(chǎn)效果

2）大斜度井或定向井特色類(lèi)射孔技術(shù)：等孔徑射孔技術(shù)主要于旅大A油田和渤中B油田進(jìn)行了應(yīng)用，由于該射孔技術(shù)的應(yīng)用，5 口井充填系數(shù)提升40%～50%，油井產(chǎn)量整體提高71%，增產(chǎn)效果見(jiàn)表3。

表3 旅大A油田和渤中B油田自清潔射孔技術(shù)應(yīng)用增產(chǎn)效果

3）穩(wěn)油控水、恢復(fù)油井產(chǎn)能類(lèi)增產(chǎn)射孔技術(shù)：新型深穿透射孔技術(shù)在渤中D平臺(tái)4口井中的應(yīng)用增產(chǎn)效果顯著，總體超配產(chǎn)51%，年均貢獻(xiàn)產(chǎn)能超配產(chǎn)6.4×104m3，增產(chǎn)效果見(jiàn)表4。高性能氣體壓裂射孔技術(shù)主要應(yīng)用于渤中G 和渤中H 油田，共計(jì)應(yīng)用3 口井，措施后的產(chǎn)能較配產(chǎn)提高322%，增產(chǎn)效果見(jiàn)表5。水淹層控水射孔技術(shù)在渤海綏中E 油田、南堡F油田等多個(gè)油田進(jìn)行了規(guī)?；瘧?yīng)用，穩(wěn)油控水效果顯著。以南堡F油田F1井應(yīng)用為例，該井投產(chǎn)產(chǎn)量為配產(chǎn)的167%，含水率僅5.2%，控水增油效果顯著。

表4 深穿透射孔技術(shù)應(yīng)用增產(chǎn)效果

表5 高能氣體壓裂射孔技術(shù)增產(chǎn)效果

綜上，渤海油田新型射孔增產(chǎn)技術(shù)體系已廣泛應(yīng)用于渤中G、墾利C、綏中E、錦州A 等多個(gè)油田，有效解決了東營(yíng)沙河街致密地層產(chǎn)能低、射孔儲(chǔ)層傷害、非等孔徑導(dǎo)致礫石充填效果差、雙高油田高含水問(wèn)題突出等技術(shù)難題，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用100余口井，增產(chǎn)效果見(jiàn)表6。

表6 渤海油田增產(chǎn)射孔技術(shù)應(yīng)用效果

4 結(jié)論

1）結(jié)合渤海油田油藏地質(zhì)特點(diǎn)和油田開(kāi)發(fā)需求，深入分析了渤海油田開(kāi)發(fā)面臨的技術(shù)難點(diǎn)，主要包括儲(chǔ)層污染、高含水、大斜度井作業(yè)難度大、低滲低效等。

2）為了滿(mǎn)足渤海油田射孔增產(chǎn)的需求，經(jīng)過(guò)“十三五”科技攻關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)新實(shí)踐，渤海油田形成了一系列新型射孔增產(chǎn)技術(shù)，如動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)、自清潔射孔技術(shù)、等孔徑射孔技術(shù)、高性能氣體壓裂射孔技術(shù)和水淹層控水射孔技術(shù)等。

3）新型增產(chǎn)射孔技術(shù)在錦州A、渤中B、墾利C等渤海多個(gè)油田進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，在降低射孔對(duì)儲(chǔ)層的污染、改善滲流能力、穩(wěn)油控水、恢復(fù)油井產(chǎn)能等方面增產(chǎn)效果顯著，有效滿(mǎn)足了渤海油田射孔增產(chǎn)增效需求。