動態(tài)負壓射孔技術(shù)研究及在渤海油田的應(yīng)用

張藝耀,馮 碩,李 進,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帶，且破碎顆粒在壓力作用下發(fā)生運動，有堵塞孔隙的可能，影響孔眼的流動效率，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沖刷壓實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壓值，而是射孔彈起爆后瞬間井眼內(nèi)的壓力波動。根據(jù)這一認識，研究了一種新的負壓射孔技術(shù)，即動態(tài)負壓射孔技術(shù)。該技術(shù)是通過特殊的射孔設(shè)計，專門的負壓彈、射孔彈和射孔槍的組合，在負壓較低或正壓條件下產(chǎn)生一個瞬時較大的動態(tài)負壓值，顯著提高孔眼的巖心流動效率。動態(tài)負壓射孔技術(shù)近年在世界多個油田得到了應(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，因此，針對渤海油田開展動態(tài)負壓射孔技術(shù)研究，并進行現(xiàn)場應(yīng)用實踐，為渤海油田增產(chǎn)增效提供保障。

1 動態(tài)負壓射孔原理

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

動態(tài)負壓射孔技術(shù)是通過負壓彈、射孔彈安裝在射孔槍內(nèi)，射孔槍引爆時，負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帶的新型射孔技術(shù)[2-7]。

動態(tài)負壓射孔技術(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，實現(xiàn)負壓條件下射孔，如圖1所示。

圖1 動態(tài)負壓射孔和靜態(tài)負壓射孔理論井筒壓力對比

當(dāng)動態(tài)負壓射孔達到峰值壓差時，張應(yīng)力超過損害帶巖石強度，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)負壓射孔中典型的緩慢壓差清理孔道的效果很小。

2 動態(tài)負壓射孔工藝研究

2.1 動態(tài)負壓射孔管柱

海上動態(tài)負壓射孔管柱由p-t測量儀、點火頭、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 動態(tài)負壓射孔工具結(jié)構(gòu)

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

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 動態(tài)負壓射孔影響參數(shù)

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

進一步研究發(fā)現(xiàn)，射孔孔徑和射孔液密度對動態(tài)負壓射孔效果的影響較弱。通過改變負壓彈孔密、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，動態(tài)負壓值隨著射孔槍內(nèi)裝藥量的增加而減小[8-10]。

2.3 動態(tài)負壓射孔負壓值的計算方法

動態(tài)負壓射孔設(shè)計的前提和關(guān)鍵是確定合理的負壓值。合理的負壓值應(yīng)滿足2個條件，①該值應(yīng)足夠大(大于最小負壓值)，以保證對射孔孔道進行有效的清潔；②該值不能太大(小于最大負壓值)，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，按式(1)計算負壓值。

(1)

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

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

(2)

pmax=(3 600-20×ΔT)×6.89×10-3×145

(3)

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

沙河街組屬于硬地層，最佳負壓值Δpz按照式(4)設(shè)計：

Δpz=0.2pmin+0.8pmax

(4)

資料顯示，墾利K區(qū)塊儲層平均滲透率117.7 mD。通過對比動態(tài)負壓射孔負壓值計算方法和傳統(tǒng)海上油田經(jīng)驗法可知，該負壓射孔槍的最大動態(tài)負壓明顯大于實現(xiàn)有效沖洗的最小負壓值，上述設(shè)計的動態(tài)負壓射孔工藝滿足油田的射孔要求，負壓值選取更合理，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)塊進行動態(tài)負壓射孔技術(shù)的應(yīng)用。墾利M區(qū)塊河街組儲層巖性主要為辮狀河三角洲沉積的中細粒巖屑長石砂巖和中細粒長石巖屑砂巖；儲層具有高孔、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)量分數(shù)多在50%以上，儲層發(fā)育，橫向疊置連片分布。該區(qū)塊儲層尚未進行壓裂、酸化作業(yè)改造儲層，射孔過程中對孔道的清潔和儲層保護對增產(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，計算負壓值為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，計算負壓值為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，計算負壓值為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，動態(tài)負壓射孔負壓值基本滿足設(shè)計要求。

圖3 兩口井p-t測試曲線

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

表3 動態(tài)負壓射孔和靜態(tài)負壓射孔產(chǎn)能對比

4 結(jié)論

1) 動態(tài)負壓射孔是一種在射孔后瞬間形成井筒內(nèi)相對負壓的高效、 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)險較低。

2) 動態(tài)負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)單獨負壓放噴作業(yè)，負壓值更大，效果更好，單井節(jié)約工期1 d以上，可實現(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)負壓射孔相比，動態(tài)負壓射孔的產(chǎn)液量明顯提高，證明了動態(tài)負壓射孔的優(yōu)越性及合理性。