定方位定射角射孔技術(shù)在薄層儲層開發(fā)中的應用

魏曉龍, 田小存, 王靜, 尹億強, 高強, 王進虎

(1.中石化勝利石油工程有限公司測井公司, 山東 東營 257200;2.中石化勝利石油管理局河口采油廠, 山東 東營 257200)

0　引　言

目前,國內(nèi)外雖已有直井、斜井的油管輸送和電纜輸送等多種定方位方法,但多數(shù)儲層展布與井筒并不垂直,導致常規(guī)定方位射孔工藝效率較低,直接影響油井產(chǎn)能[1]。分析原因,在于目前已有的定方位射孔技術(shù),只解決了在地層展布面與井筒建立的三維空間內(nèi)僅能對射孔方向進行二維控制[2],其射孔彈的射流方向均與槍垂直,定方位射孔并未真正對準地層主應力方向,而是射向了主應力在水平面上的投影方向,尤其在薄層儲層中射孔,由于射孔孔眼在地層中的有效穿深不足,導致井軸周圍不同方向上油、氣層的滲透性不同,這就是定方位射孔增產(chǎn)效果不夠明顯的主要原因。勝利油田油藏類型豐富,大部分油區(qū)開發(fā)多套層系,其中薄層儲層巖性細、含膠結(jié)物多、夾層多,且很多屬于低孔隙度、低滲透率、低產(chǎn)油氣層,并在多數(shù)油區(qū)廣泛發(fā)育。鑒于此,在該區(qū)域開展定方位定射角射孔技術(shù)的應用研究具有迫切的必要性和重要的生產(chǎn)實踐意義。該技術(shù)的應用不僅實現(xiàn)了由于地層展布面與井筒軸向不垂直導致單純依靠原有的射孔技術(shù)不能準確控制射孔方向的問題,而且解決了在對薄層、斷層等復雜地質(zhì)條件下的射孔施工中,通過控制射孔角度確保對射孔方向的三維控制,以實現(xiàn)射孔彈射流對準主應力方向,有效改善射孔效果[4]。

1　定方位定射角射孔技術(shù)

根據(jù)彈性力學理論及巖石破裂準則,射孔彈射向地層主應力方向的穿深將比其他方向大得多,而且沿主應力方向射孔,射流更容易破碎地層的巖體,改善孔眼周圍滲透性,提高射孔效率、增加油氣產(chǎn)量。涉及到主應力方向、地層傾角等數(shù)據(jù),可由測井解釋資料獲得[5]。

定方位定射角射孔技術(shù)采用特制可調(diào)射孔彈角度的裝彈結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)射孔彈射流對準主應力方向射出,彈架結(jié)構(gòu)在直井和斜井定方位射孔器中均可使用。圖1為常規(guī)射孔和定射角射孔對比圖。從圖1中可以看出,定射角使得射孔彈射流以角度c射向槍體、套管和地層,而角度c的互補角即為著靶角度。很顯然,該角度將會影響射孔彈有效穿深,同時,隨著射角的變化,射孔效果也將大大改善。

圖1　常規(guī)射孔與定射角射孔對比圖

1.1　配套工具的設計

研究定方位定射角射孔技術(shù)的配套工具,主要包括定方位定射角射孔器、調(diào)角彈架結(jié)構(gòu)、定射角彈架、槍體結(jié)構(gòu)設計以及偏重槍設計等方面。

按主角大小調(diào)好槍內(nèi)每發(fā)射孔彈射角,便可使得射孔彈射流真正對準主應力方向射出,而調(diào)角彈架結(jié)構(gòu)裝配在直井或斜井定方位射孔器中,就構(gòu)成了定方位定射角射孔器。定方位定射角射孔器的關鍵是調(diào)角彈架結(jié)構(gòu)。彈架管采用無縫鋼管激光切割制成,在彈的射孔方向開有大方口,彈尾方向開有小方口,彈的轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)由尼龍彈套和補心組成,能使射孔彈在0°～40°間縱向轉(zhuǎn)動,借助于調(diào)角專用工具可將彈旋轉(zhuǎn)至射角度數(shù),而后緊固2個頂絲便完成了調(diào)定射角操作。圖2為裝彈后的調(diào)角彈架示意圖。

圖2　裝彈后的調(diào)角彈架示意圖

對于已知射孔角度的井,采用固定射角設計,在彈的射孔方向開有斜向的孔,使射孔彈朝著固定角度的方向射孔,彈架可根據(jù)每口井要求角度定制加工。由于定方位定射角射孔是相差180°的2個方向,故該槍體設計結(jié)構(gòu)與普通射孔槍體不同之處是盲孔為長圓形,且從彈的中心向調(diào)角方向延伸,可以保證射孔彈的射流在調(diào)角范圍內(nèi)且不會射到盲孔以外。不同方位射孔,長圓孔延伸的方向也不同。

為使定方位定射角管柱在斜井下精準定方位,還在射孔管柱首尾兩端安裝了偏重槍,依據(jù)重力自動定向原理,可通過定方位鍵調(diào)整好射孔槍連接位置,確保射孔器下到目的層后,射孔彈射流指向射孔位置,達到精準定位射孔目的。

1.2　技術(shù)指標與結(jié)構(gòu)特征

適用槍型89、102、114、127槍;調(diào)角范圍0°～40°,調(diào)角精度±2°;孔密14孔/m(102定射角槍孔密);抗壓強度70 MPa;耐溫160 ℃。

斜井中應用定方位定射角射孔技術(shù)則較直井而言,有著更為突出的優(yōu)點:①旋轉(zhuǎn)接頭軸向載荷力大、徑向轉(zhuǎn)動靈活;②外鍵定向結(jié)構(gòu)定向準確、操作簡便;③接頭上裝配有軸承,能使槍柱徑向轉(zhuǎn)動、起下時與套管間的摩擦均為滾動摩擦;④用偏重槍連接在槍串上、下端和夾層部位構(gòu)成大的偏重力,依據(jù)重力自動定向原理在斜井里定向,井斜為20°時定方位精度可達±8°。井的斜度越大定方位精度越高,在水平井里也同樣能進行定方位定射角射孔,且不受井深的限制。

1.3　儲層適用條件

定方位定射角射孔技術(shù)適用于井筒與儲層展布面不垂直的儲層的射孔施工,尤其在以下情況下具有顯著的優(yōu)勢:①厚度較薄的儲層;②儲層內(nèi)隔夾層較多,層內(nèi)縱向非均質(zhì)性較強的儲層;③儲層含水,需控水開發(fā)的儲層;④水淹層層內(nèi)水淹程度差異較大,剩余油局部層段富集的儲層;⑤低孔隙度、低滲透率等需壓裂、酸化等定向改造的儲層。

2　地面試驗及現(xiàn)場應用

2.1　地面試驗

將裝配好的射孔彈進行地面打靶,以某型射孔彈打砂巖靶,根據(jù)設計的射孔旋角,選取彈架能夠在定射角槍里旋轉(zhuǎn)的角度,即選取0°、10°、20°、30°、40°作為試驗的著靶角度,并按各角度情況下射孔彈在槍里形成的炸高和外間隙進行試驗,其中典型試驗結(jié)果見表1。從表1看出,隨著射角的增大,炸高和外間隙也隨之增大,在射孔彈的穿深上彌補了著角的影響,隨著射角的增大,射孔彈穿深也隨之提高,這是由于射孔彈裝在一個特制的彈套內(nèi),旋轉(zhuǎn)角度后,射孔彈在槍內(nèi)的炸高隨之提高,說明定射角彈架調(diào)角范圍0°～40°滿足設計要求。

表1　著靶角度地面試驗數(shù)據(jù)表

2.2　現(xiàn)場應用

2.2.1應用設計

在同一區(qū)塊選擇了2口井進行試驗應用。這2口井均為薄層儲層,具有層多、層薄的特點,油層與井筒斜交,普通射孔已不能滿足需求。為避免串層,提高產(chǎn)液比,需平行于油層進行定方位定射角射孔。其中DB26-×23井設計開發(fā)S2砂組的7個小層,共選定射孔層段7段,平均厚度1.86 m,最大厚度2.8 m,最小厚度1.2 m。DB24-×25井設計開發(fā)S2砂組的5個小層,共選定射孔層段7段,平均厚度1.82 m,最大厚度3.0 m,最小厚度0.8 m,油層數(shù)據(jù)見表2。根據(jù)井身結(jié)構(gòu)、地質(zhì)資料等條件確定射孔參數(shù),DB26-×23井采用102槍/102深穿透彈,定方位為90/270°,定射角為20°;DB24-×25井采用102槍/102深穿透彈,定方位為90/270°,定射角為22°(見表3)。

2.2.2施工過程

下井前,據(jù)已知地應力方向或射孔方向,調(diào)整好定方位定射角射孔器內(nèi)的射孔彈射孔方向。射孔管柱下井時,依據(jù)井斜與偏重槍的重力作用和旋轉(zhuǎn)接頭的自動旋轉(zhuǎn),使定方位定射角射孔槍內(nèi)的射孔彈自動對準需要射孔的方向,校深完成后起爆。施工時定射角射孔管柱串如圖3所示。旋轉(zhuǎn)接頭上有陀螺儀測向的定位鍵,采用投棒起爆方式起爆,整個器材可根據(jù)油井資料進行設計排布。根據(jù)施工設計要求順利完成該2個井次的定方位定射角射孔施工。

表2　DB24-×25井油層數(shù)據(jù)表(定方位定射角射孔)

表3　S2射孔層位定方位定射角射孔器井下數(shù)據(jù)表

圖3　射孔管柱串設計圖

2.2.3應用分析

為加強對比便于應用效果分析,一并統(tǒng)計了同區(qū)塊同層位,采用常規(guī)射孔投產(chǎn)2口井生產(chǎn)數(shù)據(jù),該2口井同樣采用的102槍/102深穿透彈,最大區(qū)別為未采用定方位定射角射孔技術(shù),而是采用常規(guī)的射孔彈垂直于槍身射出的方式(見表4)。

上述各井地質(zhì)上位于同一構(gòu)造區(qū)塊,該區(qū)塊砂層展布穩(wěn)定,儲層巖性、物性變化較小,單井鉆遇油層多,但單層厚度小,單層有效厚度1.91 m。

2口應用井及對比井的構(gòu)造部位、油藏各項數(shù)據(jù)接近。試驗井中,射孔槍型為102槍,射孔彈類型為102深穿透彈,射孔層位為S2。DB24-×25井射孔投產(chǎn)層數(shù)為5層,厚度9.1 m,單層最大厚度3 m,平均厚度1.82 m,射孔定方位設計90°/270°,定射角20°,試驗投產(chǎn)后日產(chǎn)油10.6 t;DB26-×23井射孔投產(chǎn)層數(shù)為7層,厚度13 m,單層最大厚度2.8 m,平均厚度1.86 m,射孔定方位設計90°/270°,定射角22°,試驗投產(chǎn)后日產(chǎn)油10.4 t。對比井中,DB24-×23井射孔投產(chǎn)層數(shù)為8層,厚度10.3 m,單層最大厚度2.1 m,平均厚度1.29 m,投產(chǎn)后日產(chǎn)油8.5 t;DB26-×21井射孔投產(chǎn)層數(shù)為2層,厚度7.5 m,單層最大厚度5.0 m,平均厚度3.75 m,投產(chǎn)后日產(chǎn)油7.3 t。生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表4。

該對比試驗中,定方位定射角射孔技術(shù)比常規(guī)射孔技術(shù)增加油井產(chǎn)量32.9%;并且定方位定射角射孔器在井斜20°左右的定向誤差均小于5°。由此可以得出以下認識。

(1) 技術(shù)的成熟性。定方位定射角射孔技術(shù)已相對較為成熟,在相對較小井斜條件下能夠?qū)⒍ㄏ蛘`差控制在較低范圍內(nèi)。

(2) 技術(shù)的高效性。就相同的應用區(qū)塊、同時期、同層位儲層來說,定方位定射角射孔技術(shù)在提高油井產(chǎn)量方面取得了較好的實踐應用效果。

3　結(jié)　論

(1) 在薄層的開發(fā)中,定方位定射角射孔技術(shù)能使射孔彈真正對準油氣層主應力方向,增加穿透深度,更好地溝通油氣層到射孔孔眼的油流通道,達到增產(chǎn)的目的。

(2) 定方位定射角射孔技術(shù)對于油、水層相距很近的薄互油層射孔很有利,有助于射流方向順著油層形成孔道,避免透射到鄰近的出水層位。