增產(chǎn)型射孔技術(shù)在渤海油田的研究與應(yīng)用

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)，需采用專門的負(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)間依賴較大[13]。

通過(guò)射孔彈的結(jié)構(gòu)和彈藥類型的改進(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噴向井筒，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

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)模化應(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，有效滿足了渤海油田射孔增產(chǎn)增效需求。