動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)研究及在渤海油田的應(yīng)用

張藝耀,馮 碩,李 進(jìn),譚紹栩,孫帥帥,張 潤

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

渤海油田近幾年65%的油水井采用套管射孔方式，使流體從地層中流出或?qū)⒘黧w注入地層，且有相當(dāng)數(shù)量的井為大斜度井、大位移井。常規(guī)聚能套管射孔時(shí)地層中的巖石顆粒被破碎，在射孔孔道周圍形成了滲透率較低的射孔壓實(shí)帶，且破碎顆粒在壓力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，有堵塞孔隙的可能，影響孔眼的流動(dòng)效率，很大程度上影響了產(chǎn)能[1]。為了降低或消除射孔造成的損害，完井射孔作業(yè)中廣泛應(yīng)用靜態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)，這種技術(shù)是通過掏空管柱內(nèi)的液體，使井筒靜態(tài)壓力低于相鄰地層壓力，希望通過地層流體流動(dòng)沖刷壓實(shí)帶及碎屑來獲得清潔的射孔孔道，但該技術(shù)無法確保得到清潔的射孔孔眼。研究發(fā)現(xiàn)控制射孔清潔度的因素并不是初始的負(fù)壓值，而是射孔彈起爆后瞬間井眼內(nèi)的壓力波動(dòng)。根據(jù)這一認(rèn)識(shí)，研究了一種新的負(fù)壓射孔技術(shù)，即動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)。該技術(shù)是通過特殊的射孔設(shè)計(jì)，專門的負(fù)壓彈、射孔彈和射孔槍的組合，在負(fù)壓較低或正壓條件下產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)較大的動(dòng)態(tài)負(fù)壓值，顯著提高孔眼的巖心流動(dòng)效率。動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)近年在世界多個(gè)油田得到了應(yīng)用，結(jié)果證明該技術(shù)是有效的。目前，海上油田缺乏該技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，因此，針對渤海油田開展動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)研究，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐，為渤海油田增產(chǎn)增效提供保障。

1 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔原理

常規(guī)靜態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)在渤海油田主要通過負(fù)壓射孔和平衡射孔負(fù)壓返涌2種方式實(shí)現(xiàn)。負(fù)壓射孔是通過投棒點(diǎn)燃點(diǎn)火頭射孔的同時(shí)打開已掏空鉆柱和井筒之間的流通通道，來實(shí)現(xiàn)負(fù)壓返涌；平衡射孔負(fù)壓返涌是先點(diǎn)火后起鉆柱到射孔段以上，通過投棒或加壓的方式來實(shí)現(xiàn)負(fù)壓返涌。這2種負(fù)壓返涌方式都在射孔后引起壓力的急劇升高，且形成負(fù)壓的過程滯后，同時(shí)射孔瞬間壓力的上升會(huì)導(dǎo)致將射孔產(chǎn)生的碎屑重新擠壓至孔眼內(nèi)，堵塞孔眼。

動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)是通過負(fù)壓彈、射孔彈安裝在射孔槍內(nèi)，射孔槍引爆時(shí)，負(fù)壓彈在槍身上開出大孔流通液體，使井液能夠快速流入射孔槍內(nèi)，引起井筒內(nèi)壓力在射孔后瞬間下降，在射孔孔道內(nèi)產(chǎn)生瞬間沖擊回流，沖洗射孔孔道及孔道周圍壓實(shí)帶的新型射孔技術(shù)[2-7]。

動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)射孔過程中，井筒壓力開始與地層孔隙壓力平衡，然后快速下降；靜態(tài)負(fù)壓射孔過程中井筒壓力開始低于地層壓力，射孔彈引爆后造成井筒壓力迅速上升，然后開始緩慢下降，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓條件下射孔，如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔和靜態(tài)負(fù)壓射孔理論井筒壓力對比

當(dāng)動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔達(dá)到峰值壓差時(shí)，張應(yīng)力超過損害帶巖石強(qiáng)度，能夠破除巖石，在涌流沖洗作用下形成清潔孔道，孔道直徑(寬度)明顯加大。 靜態(tài)負(fù)壓射孔中典型的緩慢壓差清理孔道的效果很小。

2 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔工藝研究

2.1 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔管柱

海上動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔管柱由p-t測量儀、點(diǎn)火頭、射孔槍(包括上、下接頭)、加壓短槍、壓力開孔裝置和同位素接頭等組成，如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔工具結(jié)構(gòu)

可根據(jù)需要在射孔槍內(nèi)安裝負(fù)壓彈, 也可在夾層槍內(nèi)安裝負(fù)壓彈，在射孔彈對地層射孔的同時(shí)，負(fù)壓彈對槍身開孔(不損傷套管)，井筒液體通過槍身上的孔眼快速進(jìn)入射孔槍內(nèi), 瞬時(shí)降低井筒壓力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)壓。相對于常規(guī)靜態(tài)負(fù)壓射孔，動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔管柱結(jié)構(gòu)中省略常規(guī)負(fù)壓射孔槍管串中的負(fù)壓閥、流量閥、RTTS封隔器等工具，結(jié)構(gòu)更為簡單。同時(shí)為了記錄負(fù)壓值的變化情況，在射孔管柱最下端連接p-t電子壓力計(jì)測量儀(參數(shù)及采樣模式如表1～2)對井內(nèi)的壓力進(jìn)行監(jiān)測和記錄，從而驗(yàn)證動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔工藝效果。

表1 p-t測量儀基本性能指標(biāo)

表2 p-t測量儀采樣模式

2.2 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔影響參數(shù)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)負(fù)壓值越大，達(dá)到最大動(dòng)態(tài)負(fù)壓值所需的時(shí)間越少，動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔效果越好。通過適當(dāng)增加射孔槍上負(fù)壓彈的面積和數(shù)目來增加射孔后井筒內(nèi)流體進(jìn)入射孔槍的流量，達(dá)到最大動(dòng)態(tài)負(fù)壓值所需的時(shí)間變短；也可通過增大槍內(nèi)空間，增強(qiáng)射孔槍容納流體的能力，增加動(dòng)態(tài)負(fù)壓作用時(shí)間，負(fù)壓射孔的效果也越好。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，射孔孔徑和射孔液密度對動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔效果的影響較弱。通過改變負(fù)壓彈孔密、孔徑可調(diào)整泄壓面積變化射孔槍直徑(或長度)可調(diào)整泄壓空間。當(dāng)泄壓空間相同或相近時(shí)，動(dòng)態(tài)負(fù)壓值隨著射孔槍內(nèi)裝藥量的增加而減小[8-10]。

2.3 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔負(fù)壓值的計(jì)算方法

動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔設(shè)計(jì)的前提和關(guān)鍵是確定合理的負(fù)壓值。合理的負(fù)壓值應(yīng)滿足2個(gè)條件，①該值應(yīng)足夠大(大于最小負(fù)壓值)，以保證對射孔孔道進(jìn)行有效的清潔；②該值不能太大(小于最大負(fù)壓值)，以避免導(dǎo)致地層垮塌、出砂、套管擠毀或封隔器失效等情況。

參考Berhmann公式，當(dāng)K>100 mD時(shí)，按式(1)計(jì)算負(fù)壓值。

(1)

式中：Δp為射孔負(fù)壓值，MPa；φ為孔隙度，%；K為滲透率，mD；D為孔道直徑，mm。

根據(jù)海上油田常用負(fù)壓值計(jì)算方法，最小負(fù)壓值和最大負(fù)壓值計(jì)算式分別為式(2)、式(3)。

(2)

pmax=(3 600-20×ΔT)×6.89×10-3×145

(3)

式中：pmin為射孔最小負(fù)壓值，MPa；pmax為射孔最大負(fù)壓值，MPa；ΔT為聲波時(shí)差平均值，s。

沙河街組屬于硬地層，最佳負(fù)壓值Δpz按照式(4)設(shè)計(jì)：

Δpz=0.2pmin+0.8pmax

(4)

資料顯示，墾利K區(qū)塊儲(chǔ)層平均滲透率117.7 mD。通過對比動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔負(fù)壓值計(jì)算方法和傳統(tǒng)海上油田經(jīng)驗(yàn)法可知，該負(fù)壓射孔槍的最大動(dòng)態(tài)負(fù)壓明顯大于實(shí)現(xiàn)有效沖洗的最小負(fù)壓值，上述設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔工藝滿足油田的射孔要求，負(fù)壓值選取更合理，可以更好的釋放產(chǎn)能[11-16]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

在渤海油田墾利M區(qū)塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔技術(shù)的應(yīng)用。墾利M區(qū)塊河街組儲(chǔ)層巖性主要為辮狀河三角洲沉積的中細(xì)粒巖屑長石砂巖和中細(xì)粒長石巖屑砂巖；儲(chǔ)層具有高孔、中高滲的物性特征，巖心平均孔隙度29.1 %，平均滲透率117.7 mD；主力含油層段砂巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)多在50%以上，儲(chǔ)層發(fā)育，橫向疊置連片分布。該區(qū)塊儲(chǔ)層尚未進(jìn)行壓裂、酸化作業(yè)改造儲(chǔ)層，射孔過程中對孔道的清潔和儲(chǔ)層保護(hù)對增產(chǎn)的作用尤為關(guān)鍵。墾利M井為大位移生產(chǎn)井，地層平均滲透率為349.63 mD，下入177.8 mm(7英寸)3Cr-L80 29# CLS套管，抗內(nèi)壓56.3 MPa，抗外擠壓力48.4 MPa，計(jì)算負(fù)壓值為11.07 MPa。墾利K井為大位移先期排液注水井，地層平均滲透率為137.42 mD，下入177.8 mm(7英寸)3Cr-L80 29# CLS套管，計(jì)算負(fù)壓值為17.65 MPa。墾利L井為大位移注水井，地層平均滲透率為436.02 mD，下入177.8 mm(7英寸)N80 29# BTC套管，抗內(nèi)壓56.3 MPa，抗外擠壓力48.4 MPa，計(jì)算負(fù)壓值為9.98 MPa。

M井和K井2口采油井p-t測試曲線如圖3所示。由圖3可知，動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔負(fù)壓值基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 兩口井p-t測試曲線

與同區(qū)塊靜態(tài)負(fù)壓射孔產(chǎn)能對比可知，動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔初期超配產(chǎn)達(dá)到50 %以上，而靜態(tài)負(fù)壓射孔產(chǎn)液量超配產(chǎn)6.9 %～34.9 %，動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔方式在該區(qū)塊效果明顯好于靜態(tài)負(fù)壓射孔。如表3所示。

表3 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔和靜態(tài)負(fù)壓射孔產(chǎn)能對比

4 結(jié)論

1) 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔是一種在射孔后瞬間形成井筒內(nèi)相對負(fù)壓的高效、 安全的射孔技術(shù)。該技術(shù)可以減小射孔污染，提高油氣井產(chǎn)能，且管柱結(jié)構(gòu)簡單，不需要降低井筒內(nèi)液面，井筒與地層內(nèi)的壓力相對平衡，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較低。

2) 動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔可用于大斜度井，大位移井的射孔作業(yè)，省略常規(guī)單獨(dú)負(fù)壓放噴作業(yè)，負(fù)壓值更大，效果更好，單井節(jié)約工期1 d以上，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)海上完井作業(yè)提效11 %～14 %。

3) 該技術(shù)已成功應(yīng)用于渤海油田，與常規(guī)靜態(tài)負(fù)壓射孔相比，動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔的產(chǎn)液量明顯提高，證明了動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔的優(yōu)越性及合理性。