海上水平井大尺寸射孔器變密度定向射孔技術(shù)應(yīng)用

黃偉，馮大龍，李艷飛,李三喜,王友春

1.中海石油（中國）有限公司上海分公司（上海 200335）

2.中海油田服務(wù)股份有限公司上海分公司（上海 200335）

0 引言

隨著東海海上油氣田勘探開發(fā)的不斷深入，整裝優(yōu)質(zhì)油氣藏愈來愈難以發(fā)現(xiàn)。為深入挖潛，近年來薄層油氣藏、底水油氣藏的開發(fā)日漸增多。目前，此類油氣藏的開發(fā)，水平井完井是增加油氣泄流面積、提高油氣采收率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)油田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的技術(shù)手段之一[1-2]。水平井水平段在儲層中一般延伸較長，對于底水或非均質(zhì)油氣藏，受水平段滲透率分布、水平段井筒流動摩阻的影響，油氣流動剖面起伏波動，易產(chǎn)生出水甚至水淹等問題[3]。

定向射孔是一種能夠在井下實現(xiàn)朝某一指定方位或方向進行射孔的技術(shù)[4]。其主要靠射孔槍身的重力實現(xiàn)定向[5]，分為外定向和內(nèi)定向兩種方式。目前，該技術(shù)在陸地油氣田應(yīng)用較多，海上油氣田部分139.7 mm(5?″)小尺寸尾管水平井也有所應(yīng)用，但244.5 mm(9 ?″)套管內(nèi)定向射孔海上尚無應(yīng)用，亟需通過大尺寸定向射孔器材實施定向變密度射孔，實現(xiàn)大尺寸定向射孔工藝技術(shù)突破，延長底水油氣藏的無水采油期、提高油氣采收效益。

1 井況與射孔難點分析

東海海域團結(jié)亭構(gòu)造為受平湖主斷裂控制的斷背斜構(gòu)造，油氣藏總體受構(gòu)造控制，局部受巖性影響，H6層段為構(gòu)造底水油藏，H4層段為受巖性控制的弱邊水油藏。為落實儲層的含油性，部署鉆探了T 井，井身結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該井為水平井，井深3 650 m，穩(wěn)斜段井斜為87°，最大井斜94°。

圖1 東海T井井身結(jié)構(gòu)示意圖

團結(jié)亭氣田花港組為陸相湖泊三角洲沉積體系，主要目的層H6層為辮狀水道沉積，H4層為沿岸砂壩沉積。射孔段H4、H6 層平均孔隙度為20.7%，滲透率為（50～141.7）×10-3μm2，屬于中孔中滲油藏，油藏測井解釋見表1，壓力系數(shù)為0.99，井底溫度為105 ℃，射孔跨度為442 m，兩層普合電泵合采，為實現(xiàn)控制底水目的，水平段以244.5 mm(9 ?″)套管內(nèi)定向變密度射孔方式完井，采用177.8 mm(7″)定向射孔槍提高控水效果，H4層常規(guī)射孔，H6層3 465～3 485 m、3 485～3 515 m采用變密度定向射孔。

表1 油藏測井解釋

通過分析上述井況資料，射孔作業(yè)面臨如下難點與挑戰(zhàn)：①定向射孔段為底水油藏，底界與底水距離較近，射孔參數(shù)及射孔精度要求高；②海上無178型定向射孔應(yīng)用先例，無經(jīng)驗借鑒，器材加工精度要求高、難度大；③未隨鉆進行水平段滲透率剖面測量，需以電阻率擬合滲透率剖面，進而模擬確定射孔密度；④射孔跨度大，實射段短，夾層段長，斷爆風(fēng)險大。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 定向方位優(yōu)選

定向方位是定向射孔能否實現(xiàn)控水的關(guān)鍵[6]。T 井開采層位為底水油氣藏，為了最大限度控制底水錐進速度，滿足水平段采用定向射孔達到控水目的，綜合井眼軌跡、器材選型、相位角對產(chǎn)能影響因素、裝槍、孔密設(shè)等幾個方面考慮，采用如圖2 所示的向上兩相位（夾角60°）的定向方位設(shè)計。

圖2 兩相位60°定向射孔示意圖

1）87°大井斜的井眼軌跡，井筒斜向下穿過儲層。較水平相位180°或向上大夾角相位（如120°），向上兩相位60°能最大限度增大井筒與底水的距離，延長無水采油期。

2）本井采用超深穿透射孔彈，相比垂直向上相位，向上兩相位60°時，射孔彈穿深受影響相對較小。且考慮本井井筒不貼近儲層頂部，60°的夾角射孔，可避免射孔孔道進入上部蓋層，確保射孔孔道孔眼的穩(wěn)定性。

3）從射孔槍裝槍設(shè)計上，采用60°夾角，布彈時能最大程度地避免導(dǎo)爆索繞曲嚴重的現(xiàn)象，保證導(dǎo)爆索傳爆的成功。

2.2 變密度射孔優(yōu)化

T井水平段H6層射孔段3 465～3 515 m，實際射孔50 m。時移電阻率方法擬合得出滲透率表明，水平段滲透率差異大：3 465～3 475 m 滲透率在（20～80）×10-3μm2之間；3 475～3 485 m 滲透率較低，在（10～25）×10-3μm2；3 485～3 490 m 滲透率較高，約在（50～200）×10-3μm2之間；3 490～3 500 m 滲透率較低，約在（15～40）×10-3μm2之間；3 500～3 505 m滲透率較高，約在（60～150）×10-3μm2之間；3 505～3 515 m滲透率約在（35～90）×10-3μm2。

由于射孔段長度較短，水平段跟端與趾端生產(chǎn)壓差差異很?。ǎ?.1 MPa），主要根據(jù)水平段滲透率剖面，結(jié)合避水高度的大小，對水平井段的射孔密度進行了優(yōu)化模擬，流量剖面及孔密模擬對比如圖3 所示。優(yōu)化模擬變孔密方案為：3 465～3 485m（18孔/m），3 485～3 515 m（12孔/m）。

圖3 變密度射孔模擬優(yōu)化

2.3 射孔管柱與加壓點火方式優(yōu)化

2.3.1 射孔管柱優(yōu)化設(shè)計

射孔作業(yè)是套管井完井的重要程序，其首要保障是管柱安全[7]。由于T井常規(guī)射孔與定向射孔段跨度442 m，采用二級壓力延時點火設(shè)計，配置4個壓力延時點火頭，減少斷爆風(fēng)險。此外，通過旋轉(zhuǎn)裝置上下接頭的相對旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)釋放管串扭距的目的，并通過縱向減震器有效地緩沖射孔槍起爆，對整個管柱的縱向沖擊。射孔管柱設(shè)計如圖4所示。

圖4 射孔管柱示意圖

2.3.2 加壓點火方式

負壓射孔是降低射孔損害、減少孔道堵塞、提高油氣產(chǎn)能的最佳方式[8]。但由于本井存在射孔跨度大、水平段長、封隔器坐封需旋轉(zhuǎn)管柱等難點，優(yōu)選正加壓平衡射孔點火方式?？紤]因素如下：

1）負壓射孔需要正轉(zhuǎn)管柱8～12圈坐封RTTS封隔器，帶動射孔槍旋轉(zhuǎn)，射孔段87°井斜段較長、摩阻大，下部射孔槍會出現(xiàn)局部憋扭，影響導(dǎo)爆索傳爆，甚至斷爆，射孔管柱安全風(fēng)險非常大。

2）若采用244.5 mm(9 ?″)非旋轉(zhuǎn)封隔器可實現(xiàn)不旋轉(zhuǎn)管柱坐封，但該封隔器換位行程為1.50 m，遠大于環(huán)空加壓裝置密封傳壓桿長度0.50 m，不能過封隔器傳遞環(huán)空壓力，即不能實現(xiàn)環(huán)空加壓負壓射孔。

2.4 大尺寸射孔器材優(yōu)選

根據(jù)244.5 mm(9 ?″)套管參數(shù)、儲層溫壓特點，結(jié)合油藏開發(fā)控水要求，優(yōu)選射孔火工品器材。

1）射孔槍。H4 層選用178 型射孔槍，40 孔/m，相位45°/135°，抗外壓80 MPa，抗拉強度34 300 kg，質(zhì)量62 kg/m，扣型6?″-5ACME。H6層選用178型射孔槍，2～18孔/m，定位方式為內(nèi)旋轉(zhuǎn)定向，定向精度±8°。

2）射孔彈。選用178型深穿透SDP45RDX39-2，穿深1 290 mm，孔徑大于10.4 mm，耐溫120 ℃/48 h。

2.5 后效體增效射孔工藝

本井選配后效體以提高射孔效果。后效射孔技術(shù)是一種新型的增效射孔工藝技術(shù)，近年來，海上及陸地油氣田在逐步推廣應(yīng)用。其利用串聯(lián)在常規(guī)射孔彈尾端的后效體，由常規(guī)射孔彈起爆后的金屬射流帶入孔道后瞬間激發(fā)，超高速射流尾部形成的渦流場引力將后效粒子高速曳入到孔道內(nèi)，進而在孔道內(nèi)相互摩擦、撞擊，在數(shù)毫秒內(nèi)從爆燃轉(zhuǎn)至螺旋爆轟，實現(xiàn)孔道內(nèi)二次做功。

后效射孔技術(shù)的優(yōu)勢在于解除常規(guī)聚能射孔產(chǎn)生的壓實污染[9-10]，優(yōu)化射孔孔道形態(tài)，清潔孔道，改變近井污染帶的應(yīng)力分布，使相鄰孔道通過微裂隙溝通，恢復(fù)油氣井自然產(chǎn)能。

3 大尺寸定向射孔槍地面旋轉(zhuǎn)定位試驗

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

1）檢驗水平井178型定向射孔槍的裝配樣品機械結(jié)構(gòu)。

2）檢驗水平井178型定向射孔槍轉(zhuǎn)動及是否能夠準(zhǔn)確定位。

3.2 試驗器材

1）內(nèi)旋轉(zhuǎn)定向射孔槍。178型定向射孔槍2支，采用內(nèi)定向、配重塊旋轉(zhuǎn)方式，每支射孔槍長3 m，內(nèi)部彈架分3段，段間安裝軸承，裝彈46發(fā)，向上60°兩相位。內(nèi)旋轉(zhuǎn)定向射孔槍結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 內(nèi)旋轉(zhuǎn)定向射孔槍結(jié)構(gòu)示意圖

2）模擬射孔彈。采用模擬射孔彈46 發(fā)，形狀、大小與作業(yè)所用的射孔彈692D-178R-1樣彈相同，如圖6所示。

圖6 內(nèi)旋轉(zhuǎn)定向彈架與模擬射孔彈

3.3 試驗過程

試驗共裝配射孔彈架2 支：其中1 支滿槍裝模擬射孔彈，做旋轉(zhuǎn)定位試驗；另1 支部分裝彈，作為靜態(tài)觀察。分別在射孔彈架的兩端定位盤及軸承上作豎直標(biāo)記線。

3.3.1 射孔槍內(nèi)彈架旋轉(zhuǎn)定位試驗

將裝滿模擬彈的射孔彈架置于水平放置的角鐵內(nèi)，旋轉(zhuǎn)彈架接近90°角度，恢復(fù)靜止后，受配重塊向下重力限制，軸承與定位盤豎直標(biāo)記線上下吻合。實物試驗如圖7所示。

圖7 射孔槍內(nèi)彈架旋轉(zhuǎn)定位試驗

該試驗可直觀觀察裝有配重塊的彈架旋轉(zhuǎn)情況，并通過標(biāo)記線吻合度定量檢查靜止后彈架定位盤與軸承定位準(zhǔn)確度，確保射孔彈朝向與設(shè)計一致。

3.3.2 射孔槍管水平滾動定位試驗

將裝配好的射孔槍置于水平架上，滾動射孔槍管，使其在水平架上滾動數(shù)周，待射孔彈架管靜止后，在配重塊向下重力的作用下，軸承與定位盤標(biāo)記線吻合，如圖8所示。

圖8 射孔槍管水平滾動定位試驗

水平滾動定位試驗是為了檢驗彈架裝入槍身水平滾動后，射孔彈架在配重塊重力作用下的靈活轉(zhuǎn)動情況，模擬檢驗射孔槍在水平段發(fā)生徑向滾動的定位準(zhǔn)確度。

3.3.3 射孔槍管傾斜滾動定位試驗

將裝配好的射孔槍置于傾斜狀態(tài)（傾斜角約30°），滾動射孔槍管，待射孔彈架管靜止后，在配重塊向下重力的作用下，軸承與定位盤標(biāo)記線吻合。如圖9所示。

圖9 射孔槍管傾斜滾動定位試驗

受水平段井斜及套管下入居中度影響，177.8 mm（7″）射孔槍在244.5 mm（9 ?″）套管內(nèi)可能會有一定的傾斜角度，該試驗是為了驗證槍身在一定傾斜角度下，能否實現(xiàn)靈活定位。

3.4 試驗效果

通過以上3項試驗檢驗，178型射孔槍彈架旋轉(zhuǎn)自如，無卡滯現(xiàn)象。彈架靜止后，豎直標(biāo)記線角度誤差均小于±8°，滿足設(shè)計與作業(yè)要求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

2020年東海T井244.5 mm(9?″)套管射孔完井應(yīng)用177.8 mm（7″）定向變密度射孔技術(shù)，綜合考慮大跨度、長水平段、管柱安全等因素，采用TCP油管傳輸平衡射孔正加壓方式，且點火頭采用冗余設(shè)計，4 個延時點火頭確保常規(guī)射孔段和定向射孔段的點火成功率。射孔槍均采用178 型，裝配深穿透SDP45RDX39-2射孔彈，定向射孔段加裝后效體，提高射孔效果；為了滿足避水、控水要求，定向段采用12～18孔/m變孔密設(shè)計，向上60°兩相位。

本井完井液比重1.04 g/cm3，采用甲酸鹽完井液體系，采用過濾海水配置，井筒替入完井液前采用多功能過濾器、強磁、套管刷等高效清潔工具清潔井眼，確保射孔管柱的順利下入至水平段。射孔管柱到位后校深調(diào)整管柱，正加壓點火鉆臺檢測射孔現(xiàn)象明顯；出井檢查射孔管柱，射孔發(fā)射率100%，槍身孔眼方位準(zhǔn)確，夾層槍完好。本井施工全過程安全、順利，水平井177.8 mm（7″）大尺寸定向變密度射孔技術(shù)在東海T 井水平井完井成功應(yīng)用。

該技術(shù)的成功應(yīng)用，填補了海上大尺寸定向射孔工藝應(yīng)用的空白，射孔增效遠超預(yù)期。該井2020年6 月投產(chǎn)，電潛泵泵抽原油產(chǎn)量超配產(chǎn)近1.5 倍，目前已正常生產(chǎn)近一年半，未發(fā)生明顯出水問題，產(chǎn)出含水率在1%以下，延長了無水采油期，實現(xiàn)了底水油藏的有效開發(fā)。

5 結(jié)論

1）通過分析海上水平井定向射孔的技術(shù)難點與需求，針對底水油氣藏控水要求，優(yōu)化設(shè)計了大尺寸射孔器的定向方位、孔密及配套射孔管柱。

2）對于水平井或大斜度井，綜合射孔段距底水油氣藏上部蓋層的距離與射孔穿深等因素，向上兩相位60°夾角能增大射孔孔道與底水的距離，并確保有效穿深、保障泄流面積。

3）大跨度、多夾層、長水平段射孔，通過多級點火方式配合旋轉(zhuǎn)接頭進行正加壓平衡射孔，可有效規(guī)避射孔管柱下入過程中憋扭、旋轉(zhuǎn)斷裂及射孔過程中斷爆的風(fēng)險，提高了射孔管柱的安全性和射孔的成功率。