定方位射孔技術(shù)研究及應(yīng)用

梁擁華

摘 要:目前,油田鉆通油氣層后大部分采用下套管射孔完井進(jìn)行油氣開采,其目的是射穿套管、水泥層和地層內(nèi)一定的深度,建立井筒與目的層之間的通道,進(jìn)行試油或求產(chǎn)。射孔作為石油勘探開發(fā)中的重要環(huán)節(jié),不僅關(guān)系到油氣井的產(chǎn)能,而且還會(huì)對后續(xù)增產(chǎn)改造措施的效果產(chǎn)生重大影響。常規(guī)射孔孔眼的方向是隨機(jī)的,因此無法滿足一些特殊情況對射孔施工的要求,而定方位射孔技術(shù)是一種可以進(jìn)行井下有方向性射孔的新型射孔工藝技術(shù),其利用油管輸送射孔管柱的方式,在起爆器與深度短接之間接入一定方位短接,通過測量定方位短接上方位鍵的方位來確定射孔彈穿孔的方位。定方位射孔技術(shù)應(yīng)用于需壓裂完井的井時(shí),通過實(shí)現(xiàn)最大主應(yīng)力方向的射孔,可有效降低地層破裂壓力和地面施工壓力,提高壓裂效果。對于施工井附近存在斷層需避開、地層存在天然裂縫希望與射孔孔眼溝通等特殊情況時(shí),該技術(shù)均可成為有效的輔助手段。

關(guān)鍵詞:射孔技術(shù)定方位短接方位鍵主應(yīng)力壓裂

中圖分類號(hào):TE2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)06(b)-0011-02

射孔完井是油田開發(fā)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),射孔效果的好壞關(guān)系到油氣井的產(chǎn)能,還會(huì)對水力壓裂等后續(xù)增產(chǎn)改造措施的效果產(chǎn)生重大影響。隨著油田勘探開發(fā)工作的不斷深入,勘探開發(fā)地層的條件越來越差,井況也更加復(fù)雜,對射孔完井技術(shù)也提出了更高的要求?，F(xiàn)代射孔完井技術(shù)不僅要準(zhǔn)確打開油氣層,還要保護(hù)油氣層,最終要解放油氣層,而且還要降低施工成本,簡化施工工藝。

1 直井定方位射孔工藝技術(shù)研究

定方位射孔技術(shù)是一項(xiàng)新的射孔工藝技術(shù),在許多國家的各大油氣田廣泛采用該項(xiàng)技術(shù),取得了顯著的應(yīng)用效果。本章介紹的直井定方位射孔技術(shù)是在將陀螺測斜技術(shù)與射孔技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合并且改進(jìn)常規(guī)的油管輸送式射孔管柱的基礎(chǔ)上,開發(fā)出的一種可以進(jìn)行井下定方向性射孔的新型射孔工藝技術(shù)。

1.1 定方位射孔

定方位射孔是近年發(fā)展起來的一種新型的油管傳輸射孔技術(shù),是對常規(guī)射孔工藝的完善和補(bǔ)充,該技術(shù)可以解決裂縫性油氣層常規(guī)射孔孔眼有效率低和壓裂彎曲摩阻大的問題。定方位射孔技術(shù)可以根據(jù)需要控制孔眼的朝向,使射孔彈只沿著確定方位發(fā)射,在提高水力壓裂效果方面具有良好作用。定方位射孔的技術(shù)關(guān)鍵是定方位,在確定地應(yīng)力方向之后,依靠井下方位測量儀、槍身定位短節(jié)和專用連接頭以及地面監(jiān)測系統(tǒng),通過調(diào)節(jié)管柱,使射孔方位與地層最大主應(yīng)力方向保持一致,射孔后可減小壓裂彎曲摩阻,降低啟動(dòng)壓力。定方位射孔一般可分為:電纜射孔和油管輸送式射孔。本論文重點(diǎn)敘述了油管輸送定方位射孔的工藝原理及其施工狀況。

1.2 直井定方位射孔技術(shù)原理及工藝流程

1.2.1 基本原理

直井定方位射孔是在常規(guī)的油管輸送式射孔管柱的基礎(chǔ)上,在起爆器與深度短接之間接入一定方位短接,該定方位短接有一與射孔彈穿孔方位一致的定位鍵作為方位的標(biāo)志。將管柱下入井內(nèi),達(dá)到預(yù)定深度后,用電纜攜帶自然伽馬和磁性定位儀下入油管中射孔槍的頂部,通過定位短接磁性測量及地層放射性測量確定目前管柱所對應(yīng)的射孔深度,并與設(shè)計(jì)要求射孔深度進(jìn)行比較,調(diào)整管柱從而進(jìn)行射孔深度定位。隨后用電纜將帶有導(dǎo)向裝置的定方位儀下入油管中進(jìn)行方位測量。測量方位時(shí)定方位儀的導(dǎo)向裝置與管柱定方位短接的定位鍵吻合,彼此相對固定,測量定位鍵的方位,該方位也是射孔彈穿孔的方位。定方位儀中水平安裝的一只重力加速度傳感器感受儀器的傾斜度,將信號(hào)經(jīng)電壓-頻率轉(zhuǎn)換后,以脈沖形式傳輸?shù)降孛?經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)加工處理后,實(shí)時(shí)得到射孔槍的相對方位。若測量的方位與目的方位不一致,則需轉(zhuǎn)動(dòng)管柱調(diào)整方位,直到測量方位與目的方位的誤差在誤差允許范圍內(nèi),然后起出方位儀,最后進(jìn)行射孔點(diǎn)火。

1.3 定方位射孔系統(tǒng)研究

1.3.1 井下儀器系統(tǒng)

(1)動(dòng)力調(diào)諧式陀螺測斜儀

動(dòng)力調(diào)諧式陀螺測斜儀是一種非液浮的彈性支撐的精密二自由度陀螺儀、它是由結(jié)構(gòu)新穎的撓性接頭支撐代替常規(guī)的滾珠軸承或液浮支撐而構(gòu)成的自由轉(zhuǎn)子陀螺,它利用接頭平衡環(huán)振蕩產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)來消除接頭細(xì)頸對陀螺轉(zhuǎn)子的彈性約束,從而達(dá)到動(dòng)力調(diào)諧。

為了有效的磁屏蔽,儀表外殼用軟磁材料制造并用電子束進(jìn)行連接密封,陀螺儀體內(nèi)充以0．1壓力的氦氣,使陀螺具有一定的性能精度指示。動(dòng)調(diào)撓性陀螺的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、制造容易、精度高、可靠性好。是慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)以及其慣性定位系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用的一種慣性器件。陀螺測斜儀由減震器、慣性體、陀螺電路艙、電源艙、微機(jī)艙、磁定位器、馬龍頭等幾個(gè)部分組成.

陀螺測斜儀的核心部件就是慣性測量組,它包括一個(gè)雙軸動(dòng)力調(diào)諧陀螺,一個(gè)WZ(溫度)傳感器和三個(gè)石英加速度計(jì),它們在設(shè)計(jì)上采用捷聯(lián)式機(jī)械編排,因此必須設(shè)計(jì)具有精密定位基準(zhǔn)的慣性體,陀螺和加速度計(jì)通過定位面直接安裝在慣性體上,組成慣性測量組件,該組件通過一對軸承被支撐在外殼上。慣性體組件由對轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)在測量點(diǎn)上的0°和180°上定位。慣性體組件的旋轉(zhuǎn)軸與井下探管軸重和,通過探管扶正器又可認(rèn)為與井筒軸線平行。動(dòng)力調(diào)諧陀螺和加速度計(jì)都工作在力反饋狀態(tài),陀螺測量地球自轉(zhuǎn)角速率分量,加速度計(jì)測量重力加速度分量。所測信號(hào)經(jīng)采集編碼通過單芯電纜送至地面儀器,經(jīng)計(jì)算機(jī)解算可得出井筒的傾斜角、方位角和工具面角等參數(shù)。

1.3.2 地面測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面測量系統(tǒng)由主機(jī)和測控接口箱組成。地面測控接口箱通過單芯射孔電纜向井下的陀螺測斜儀供直流電源,啟動(dòng)井下儀工作。操作人員在筆記本電腦菜單操作,通過測控接口箱向下發(fā)出測控命令并接收井下儀上傳的測量數(shù)據(jù),經(jīng)過計(jì)算實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果,并建立存盤文件。測控接口箱由220V,50Hz交流電源供電;采用曼徹斯特碼進(jìn)行解碼;井下儀供電:恒壓／恒流直流電源一組,0～200V／450mA;紋波小于100mV;輸出方式:極性可選,電壓、電流連續(xù)可調(diào),短路保護(hù)。其組成見圖1。

1.4 現(xiàn)場應(yīng)用

采用定方位射孔工藝技術(shù)共計(jì)完成了15井次的推廣應(yīng)用,一次成功率達(dá)到100%。14井次定方位射孔的定位精度為-3.83°～+6.93°,平均誤差±1.62°,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求(±10°)的精度。

樊170井采用了定方位射孔工藝技術(shù),樊143井和樊167井采用普通油管輸送工藝技術(shù)。三口井的壓裂施工參數(shù)如表1所示.

試驗(yàn)分析:樊143井和樊167井采用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行射孔,產(chǎn)生的射孔孔眼方向隨機(jī)分布,無效孔眼的存在使壓裂時(shí)產(chǎn)生扭曲效應(yīng),導(dǎo)致壓裂施工時(shí)破裂壓力、施工壓力以及停泵壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采用定方位射孔的樊170井。

采用定方位射孔工藝技術(shù),射孔方向與地層最大主應(yīng)力方向一致,將壓裂能量集中于有效射孔孔眼,使壓裂裂縫沿射孔孔眼方向順暢延伸,從而達(dá)到了提高壓裂效果的目的。

樊170井,樊143井和樊167井處于同一區(qū)塊,采用定方位射孔工藝的樊170井與其它兩口常規(guī)射孔井相比,壓裂施工的三種壓力均較大幅度下降,壓裂前三口井的產(chǎn)量基本相同,但樊170井壓裂后的產(chǎn)能比樊143井和樊167井提高了7倍以上。樊170井定方位射孔的成功應(yīng)用,說明了針對需要進(jìn)行壓裂改造的儲(chǔ)層,定方位射孔技術(shù)能夠達(dá)到很好的射孔效果。

總之,“直井定方位射孔工藝技術(shù)”的開發(fā)成功,改進(jìn)了射孔管柱、陀螺方位儀的連接方式及性能,完善了直井中實(shí)施油管輸送射孔技術(shù)。通過應(yīng)用效果分析,采用定方位射孔技術(shù),在一定程度上提高了油井的采油強(qiáng)度,注水井的注入強(qiáng)度,并在水力壓裂時(shí),降低了地面施工壓力,提高了水力壓裂的效果。但當(dāng)井斜超過一定程度時(shí),由于無法旋轉(zhuǎn)管柱調(diào)整方向,導(dǎo)致定方位失效,故此技術(shù)只適用于直井或小斜度井。

2 基本結(jié)論

通過本文對定方位射孔工藝技術(shù)研究,可以得到以下基本結(jié)論:

(1)應(yīng)用慣性導(dǎo)航理論,將動(dòng)調(diào)式撓性陀螺應(yīng)用于射孔方位確定,方位測量準(zhǔn)確;

(2)設(shè)計(jì)的導(dǎo)向裝置,使定位鍵可靠進(jìn)入導(dǎo)向槽,同時(shí)為了防護(hù)井下定方位儀器受較強(qiáng)的沖擊,該裝置還具有一定的緩沖作用。

(3)設(shè)計(jì)的定方位射孔器射孔槍身的兩端,在與盲孔方向一致處,加工兩個(gè)定位槽,與槍身連接器配合使用。

(4)槍身連接器的兩端加工定位螺絲孔,與射孔槍身配合,使上下兩柱槍保持射孔方向一致。

(5)油管輸送定方位射孔工藝技術(shù)適用于直井定方位射孔施工。經(jīng)現(xiàn)場20井的應(yīng)用證明,該技術(shù)能夠降低水力壓裂啟動(dòng)壓力,提高采油強(qiáng)度,具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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