多级脉冲射孔技术在海上油田裸眼水平井B-××井中的应用

张虎, 黎涛, 章松桥, 门媛媛, 同剑, 刘谦

(中国兵器工业第213研究所, 陕西 西安 710061)

0 引 言

多级脉冲射孔技术是在单脉冲高能气体压裂技术的基础上发展起来的一种复杂岩层地应力松弛的新方法。该技术可以克服单脉冲高能气体压裂对地层作用时间短、压裂缝长不足的缺点,受到了越来越广泛的重视[1-4]。目前,直井多级脉冲气体加载压裂施工工艺已基本成熟,但在海上油田裸眼水平井上进行多级脉冲气体加载压裂技术在中国未见报道。

裸眼水平井完井射孔参数的设计多级脉冲与套管完井情况下完全不同,因为在裸眼井尤其是裸眼水平井中,井眼的不规则性和易垮塌性很容易造成射孔后埋枪的工程事故。因此,要根据不同的井况设计不同的射孔参数,研究复合射孔器火药在井下的燃烧特征。本文对海上油田裸眼水平井B-××井进行了严格的设计,成功运用多级脉冲增效射孔技术,射孔后地层压裂效果显著。

1 平湖油田后续油气产能的开发

平湖油田自1998年11月投产已连续生产十几年,各井产量递减严重,采出程度约45%,综合含水达95%左右。天然气的大量产出,地层压力下降较多。目前在生产的十几口油(气)井对已开发的油(气)藏都有了较高程度的动用,为了充分动用储量,保证后续油气产量的稳定,提出了开发P11层。该次射孔的B-××井是首期开发井中的第3口,是老井加深的生产气井,设计井深(主井眼)4 705.5 m,地层压力系数约1.3,射孔层温度137 ℃。针对以上复杂地层因素,采用多级脉冲复合射孔技术,对火药延时点火、火药的燃速控制及装药量等参数进行优化设计。B-××井井身结构见图1。

2 射孔器材优化设计

2.1 射孔枪规格确定

射孔枪外径主要是根据裸眼井尺寸选择,该井目的层比较深并且在水平裸眼段。目的层裸眼井段的井径为152.4 mm且第1次复合射孔。针对这种裸眼水平井,有Φ114 mm和Φ127 mm这2种规格的射孔枪可供选择。若使用Φ127 mm的射孔枪,射孔弹和射孔枪的配合更趋合理,穿孔深度和孔径比较大,射孔效果较好。考虑到目的层射孔段为裸眼水平井,射孔器爆炸后会发生膨胀和弯曲变形,水平井射孔枪在井下处于平躺状态,下放或上提的摩擦阻力高,裸眼井坍塌易造成射孔枪被埋,上提射孔枪至“狗腿弯处”或缩颈点存在卡枪的风险,射孔枪外径越大,风险越大。适当降低射孔枪尺寸,“以空间换安全”是必须的,因此最终选择了Φ114 mm的双盲孔射孔枪。同时要求射孔枪最好选用抗内压大于70 MPa,以尽可能减小射孔后枪的膨胀性和毛刺高度。另外,考虑到裸眼下射孔管柱可能会遇阻,需要下压或大张力上提震击,下井工具全部设计成抗挤压、抗拉、抗压的器材。

2.2 弹架设计

通常情况下Φ114 mm的射孔枪配材料为Q195,Φ65 mm×1.5 mm的直缝焊管作为弹架管,该规格的弹架在纵向冲击力的作用下易发生弯曲或断裂。采用材料Q235、壁厚2 mm弹架的抗拉能力比1.5 mm壁厚的弹架管能提高45%[5]。为了提高弹架的强度,增加弹架的抗破坏能力,Φ114 mm射孔枪采用材料为Q235、Φ65 mm×2 mm的直缝焊管作为弹架。弹架在射孔枪内通过定位槽定位,采取径向扶正措施,防止射孔器在井下剧烈震动导致固弹系统遭受损害。固定弹架两端设计导爆索螺口锁紧机构,对导爆索密度影响小,方便调整,防止人为操作失误造成导爆索损伤。

2.3 射孔参数优化

平湖气田储层为深灰色、灰色泥岩,孔隙溶洞发育,影响油气井产能的射孔参数主要有弹型、孔密、相位和钻井损害程度。从射孔优化的角度,将弹型和孔密控制作为首选,在射孔施工必须确保安全可靠的前提下进行射孔参数优化。B-××井钻遇油层埋藏较深,地层温度高达137 ℃,故所有的火工品全部采用耐高温的产品。射孔弹性能指标见表1。

从表1可见,DP48HMX45-1弹各项性能指标都优于DP45HMX38-3弹,但考虑到射孔弹要与Φ114 mm的射孔枪相匹配,裸眼井射孔完井采用DP45HMX38-3弹比较合理。适当降低射孔穿深不至于对生产井的最终产能产生明显影响,且装药量少,在射孔后枪体产生变形小,有利于管柱的上提,提高了射孔管柱的安全性。为了提高射孔后油井产能,在射孔弹间设计旁置药盒。在相对较低的孔密下,水平井的产率与垂直井相比要高得多,水平井射孔完井在较低孔密下就能获得期望的产率比,在此基础上依据射孔弹的直径和旁置药盒的厚度将射孔枪的孔密设计为13 孔/m,根据钻井轨迹在油层中的位置确定射孔相位为90 °。

3 复合射孔管柱设计

射孔采用TCP多级脉冲式复合正压射孔;射孔段处于水平裸眼段,设计的射孔管柱结构为震击器+钻杆+单流阀+安全接头+加重钻杆+投球丢枪装置+压力开孔装置+钻杆+防沉沙装置+压力延时点火头+射孔枪+压裂药柱+射孔枪+压裂药柱。射孔段管柱结构见图2。

图2 B-××水平井射孔管柱示意图

为防止射孔管柱受裸眼井眼不规则遇阻,即使射孔后埋枪也便于起出,射孔枪以上的工具全部加工成3in*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同钻杆扣。射孔管柱下到位后,井口正加压点火,加压到点火压力后继续打压到压力开孔装置的循环孔打开,地面放压,确认枪响后,迅速把射孔枪起出射孔段,以防止射孔枪被埋。如果射孔后井壁垮塌管柱被埋,起不出来,需管柱内投球,加压释放射孔枪,起出丢枪装置以上的管柱。

4 多级火药分装

4.1 射孔枪内装药量

根据火箭发动机燃烧室内压力计算原理,可以把增效射孔枪视为一个火箭发动机药室,枪体内开孔孔眼面积总和看作是发动机的喷喉,则增效射孔枪内压力可由火箭发动机的燃烧室内压力公式计算[6]

pmax=(ρcμ1kn)1/(1-n)

(1)

式中,pmax为枪内峰值压力,kg/cm2;ρ为枪内装药密度,kg/cm3;c为装药的特征速度,m/s;kn为面喉比(kn=S/S1,S为枪体内装药的总表面面积,S1为枪体孔眼的总面积之和);n为装药的压强指数;μ1为装药的燃速系数。

4.2 射孔枪下挂火药量的确定

射孔枪二级增效火药量取决于火药燃烧后在井筒内产生的峰值压力大小,该峰值压力必须高于地层的破裂压力。在裸眼井不垮塌的前提下,应尽量提高峰值压力。峰值压力越高,产生的裂缝越长。根据火药做功理论,峰值压力为

(2)

式中,p0为井筒静压力,MPa;m为装药量,kg;f为火药定容火药力,kJ/kg;φ为与火药气态产物比热容比有关的系数,无量纲;α为推进剂药柱的余容,cm3/kg;V0为增效火药在套管中燃烧形成的空腔,根据经验数据确定。在确定了需要的峰值压力后,由式(2)即可计算出二级增效火药的装药量。

根据公式计算并结合实践经验,每米射孔枪内总装药量为500 g,换算成产品每米射孔枪内装13个前置药盒和11个旁置药盒。二级增效火药的总装药量为24 kg,该装药量在有套管的情况下完全满足设计要求。施工在裸眼水平井射孔完井,如果将全部火药集中在一起,射孔后火药爆燃产生的峰值压力过高,有可能会导致井内坍塌,射孔管柱被卡的现象。因此,将二级增效火药设计成分段组装,中部下挂2个Φ84 mm×500 mm的快燃速压裂弹,尾部下挂4个Φ84 mm×500 mm的慢燃速压裂弹。通过设计不同燃速的压裂弹以及分段组装,有效降低火药燃烧后产生的峰值压力,避免裸眼井塌落造成射孔管柱被卡,火药燃烧产生的气体对地层的持续压裂脉冲时间增加,延长了地层裂缝长度,有效改善地层的导流效果。

5 现场应用效果

2011年8月25日对B-××井进行多级脉冲射孔施工,起爆压力计算如下。

(1) 计算井筒静液柱压力

p液=井垂深×压井液密度×0.0098

(3)

压井液密度现场实测值为1.4 g/cm3,则

p液=3689×1.4×0.0098=50.61

(4)

(2) 确定起爆器剪切销数量

常温下单支剪切销剪切值为3.09 MPa,考虑材质强度误差±4.5%,从剪切销强度—温度关系曲线可查知,油层温度137 ℃时单支剪切销剪切值降低9%。故单支剪切销剪切值为

τ=3.09×(1±4.5%)×(1-9%)

=2.67～2.95

(5)

按油田射孔作业规范的要求,井口附加7 MPa安全起爆压力,因此实际剪切销数为

n=(p液+7)/剪切销最小值

=(50.61+7)/2.67

=22

(6)

(3) 确定井口加压值p

pmax=剪切最大值×n-p液

=2.95×22-50.61

=14.29

(7)

pmin=剪切最小值×n-p液

=2.67×22-50.61

=8.13

(8)

取井口加压最高值pmax,作用在井底的压力为pmax+p液=64.9 MPa,小于水平井射孔枪抗外压力80 MPa,因此设计的起爆压力及地面加压值合理,能够保证施工的安全可靠。

现场采用TCP检测系统,井口加压时TCP监测仪监测结果显示有明显叠加的回波信号,该信号证明射孔枪响(见图3、图4)。

图3 TCP监测信号图谱

图4 B-××井p—t测试图

对B-××井进行了多级脉冲增效射孔技术优化,与同块区没有进行多级脉冲射孔优化的常规射孔效果对比分析,平均产液量提高了8.75 t/d,平均产油量提高了2.8 t/d。单井产量超过或接近预期产量,成果的应用有效提高了单井产能,取得较好的现场应用效果。

6 结 论

(1) 裸眼水平井完井多级脉冲射孔参数的设计与套管完井完全不同,要根据不同的井况设计不同的射孔参数,研究复合射孔器火药在井下的燃烧特征,在已知井筒能够承受最高压力的情况下,可以计算所需要的火药量以及装药方式。

(2) B-××井采用了多级脉冲增效射孔技术,射孔后对地层压裂效果显著,测试结果超过预期产量,而且安全性能良好。现场试验进一步从实施效果上验证了多级脉冲加载压裂技术的特点和优势。该井一次点火成功,为今后裸眼水平井完井射孔参数的优化设计提供了一定的参考依据。

参考文献:

[1] 孙志宇, 蒲春生, 罗明良, 等. 水平井多级脉冲气体加载压裂及产能评价 [J]. 西南石油大学学报: 自然科学版, 2008, 30(5): 104-107.

[2] 李克明, 张曦. 高能复合射孔技术及应用 [J]. 石油勘探与开发, 2002, 29(5): 91-92.

[3] 蒲春生, 孙志宇, 王香增, 等. 多级脉冲气体加载压裂技术 [J]. 石油勘探与开发, 2008, 35(5): 636-639.

[4] 周曌, 赵开良, 张锋, 等. 多级脉冲增效射孔技术研究 [J]. 测井技术, 2007, 31(1): 82-84.

[5] 吴宗泽. 机械设计手册 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.

[6] 张平. 固体火箭发动机原理 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1992.