文96储气库射孔方式及射孔参数研究

宋 宁，吴春红，王 宁，周晓妮

（1.中原石油工程有限公司地球物理测井公司，河南濮阳457001；2.中原油田分公司采油一厂，河南濮阳457001；3.胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营257000)

文96储气库射孔方式及射孔参数研究

宋 宁*1，吴春红2，王 宁3，周晓妮1

（1.中原石油工程有限公司地球物理测井公司，河南濮阳457001；2.中原油田分公司采油一厂，河南濮阳457001；3.胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营257000)

地下储气库用于随时调节天然气供应量和消费量之间的平衡、协调供求关系的变换和战略储备等，目前世界上以建立了多种类型的储气库：枯竭油气藏储气库、含水层储气库、盐穴储气库等。文96储气库就是利用枯竭油藏地层而形成的储气库。枯竭型油气藏储层渗透率低，经历长时间开发，储层底层压力低、渗透率低，在钻井和完井过程中，不可避免对地层造成污染，严重降低气体的注（采）速度。射孔是储气库投产中关键一环，用以沟通地层和井筒的流体流动通道。射孔参数的优化可以为枯竭型低压储层提供一种高效能并且地质效果好的射孔工艺，增加储气库的天然气注采速度，减小流动阻力，提高调峰能力。

低压低渗；储气库；射孔参数优化

针对文96枯竭型储气库具有地层厚度大、地层压力低、地层渗透率低等特点，射孔技术的高低、射孔质量的好坏将直接影响储气库单井产能的发挥。该文章分析了各种射孔方式及射孔参数对射孔产率的影响，针对文96储气库的射孔参数优化进行展开。

1 射孔参数优化技术路线

文96储气库井射孔参数优化是在满足气井工程和地质要求的前提下，通过分析气井产能各影响因素，清楚各种射孔参数较合理的取值区间；根据优选的射孔枪规格，结合各射孔参数在射孔器制造工艺和技术上实现的难易程度和相互影响，最终确定射孔器类型和射孔参数。

2 射孔参数对产率比的影响

2.1 孔深的影响

射孔深度（简称孔深）是指射孔穿透套管、水泥环进入地层中形成一个孔道，孔道延伸的长度叫孔深。射孔深度是影响油井产能的一个重要因素，许多研究都论述了孔深的影响作用。

在无污染的地层中，产率比随孔深的增加而增加，计算孔深范围在5～5000mm，但在1m左右它增加的幅度是总增加幅度的一半，这说明它是一条减速递增曲线，开始增加的幅度大，也就是说这时孔深对产能影响较大。

在存在钻井污染的地层中，孔深的作用与无钻井损害时相比有相同之处，亦有些不同之处。相同之处是：随着孔深的增加产率比增加。其产率比曲线在孔深较小时斜率较大，当孔深较大时，斜率变小、变平。不同之处是：当孔深达到钻井污染带深度时，曲线出现拐点。也就是说，当射孔深度超过钻井污染带时，产率比能有较大幅度的提高，曲线变陡。这就意味着适当提高射孔穿透深度，使其射穿钻井污染带，将会产生较大的产能效益，但这种效益随着孔深的增加而逐步减少。因此，无限制地追求深穿透亦是不必要的。

2.2 孔径的影响

孔径是指射孔形成孔道的直径。

从图1整体变化趋势看，它虽然也是一条减速递增曲线，但总的来说，孔径对产能的影响较小，相对而言是一个不太重要的因素。目前所用弹型的孔径的变化范围较小，由于射孔弹的炸药量及能量均是一定，故一般都倾向于牺牲孔径（孔径为10m左右即可）来换取较大的孔深。但这个结论不适用于稠油层、易出砂等特殊储层。

2.3 孔密的影响

孔密是指单位长度射孔器所装射孔弹的数量。

图1 产率比随孔径变化曲线（rp-孔径）

图2 产率比随孔密变化曲线

从图2可以看出，它也是一条减速递增曲线，对产率比的影响较大，从10孔/m增加到16孔/m时，产率比增加10%以上，而从25孔/m增加到31孔/m，产率比却只增加不到3%，说明在孔密较低时，增加孔密是一种提高射孔效果的好办法，但无限度地追求高孔密却是没有意义的。

2.4 相位角的影响

相位角是指相邻两个射孔弹之间的角度。相位角是影响产能的一个重要因素。在无污染无压实情况下研究得出结果：0°相位角性能最差，180°相位角比0°相位角产率比高20%，而最佳相位角60°时比0°的产率比高30%。相位角的优劣次序为60°、90°、120°、180°、0°，并且60°、90°、120°的效果相差不大。

2.5 压实厚度的影响

套管、水泥环、岩石在射孔后变形、破碎和压实，在射孔孔道的周围就会形成一个压实损害带，这个压实损害带的厚度叫做压实厚度。压实厚度对产率比的影响比较大，尤其是压实厚度在2cm以内时，而实际各种弹性的压实厚度一般均在此范围内，因此对于射孔弹的生产而言如何减少压实厚度是提高射孔弹性能及射孔效果的重要途径。

2.6 压实程度的影响

压实程度（Kc/Ke）为压实带渗透率与地层渗透率的比值，随着孔深的增加，压实程度对产率比的影响变大，压实程度从强到弱，产率比逐渐增大，但其增幅呈减小趋势。

2.7 污染深度的影响

在钻井过程中钻井液浸泡地层，形成一个地层污染带，这个污染带的厚度叫做污染深度。

图3是产率比随污染深度变化的曲线图，该图是在孔深25.4cm情况下做出的。通过对曲线分析可以看出：当污染深度大于孔深（即未射穿污染带）时产率比一直较低，即使污染深度有较大降低，产率比的增加也是很有限的；当污染深度小于孔深（即已射穿污染带）时，产率比有很迅速的增加，因此如何减小污染深度，使得污染带能够被现有的射孔弹射穿（或提高射孔弹穿深，使其射穿污染带）是提高射孔井产能的重要途径。

图3 产率比随污染深度变化曲线（Lc-污染深度）

2.8 污染程度的影响

污染程度为污染带渗透率与地层渗透率的比值。在孔深较浅时，污染程度对产率比的影响较大，射孔穿透污染带显得格外重要，随着孔深的增加，污染程度对产率比的影响变小。换句话说，若射孔弹能穿透污染带，其污染程度的影响将大大降低。

3 射孔枪规格确定

一般情况下，选择射孔枪的规格主要考虑两方面的因素，一是射孔枪在射孔后的变形不至发生井下卡枪事故；二是射孔枪的射孔参数有利于沟通地层和井筒的渗流通道，提高气井产能。射孔枪的外径越大，越有利于调整射孔参数。防止射孔卡枪和增大射孔枪外径是一对矛盾，因此需要优选射孔枪规格，最大程度解决这一对矛盾。

文96储气库设计井型有直井、定向井、水平井。生产套管均为7″，内径157.1mm，可供选择的射孔枪型有：外径114mm、127mm、140mm三种规格。在国内外射孔施工中，这三种射孔枪在7″套管内都有或多或少不等量使用的经历。表1是三种射孔枪在文96储气库的适应性分析。

表1 Ø114mm、Ø127mm、Ø140mm射孔枪在文96储气库适应性分析

根据数据比较，射孔枪可选用127mm或114mm射孔枪，使用Ø127mm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，因此，对于直井选择Ø127mm射孔枪。

对于水平井或大斜度井（井斜大于45°），推荐选用Ø114mm射孔枪。主要基于几方面原因：

（1）对于斜度大的井，在套管内壁上可能残留有固井水泥浆的残渣，射孔器爆炸后会发生膨胀和弯曲变形，上提射孔枪至“狗腿处”存在卡枪风险，射孔枪外径越大，风险越大。

（2）对于水平井射孔，更大的施工风险是射孔管柱遇卡。水平井射孔枪为满足自动定向要求，无法与非定向射孔枪一样预制掩埋射孔毛刺的“盲孔”，射孔后枪身上毛刺较高；水平井射孔枪在井下处于“平躺”状态，下放或上提的摩阻高；适当降低射孔枪尺寸利于降低施工风险。

（3）通过射孔参数敏感分析，Ø114mm射孔枪装配1m弹的射孔参数对产能影响不明显，能满足地质的需要。

4 射孔参数确定

通过对气井产能的影响因素分析可以看出，采用深穿透、大孔径、高孔密和低相位角射孔将对气井的产能发挥积极作用，但各种参数的影响程度很大差别，各种参数重要程度见表2。

表2 储气库井产能影响因素重要性的排序

射孔参数受射孔枪规格和射孔弹规格限制，直径相对较小的射孔枪不可能获得较理想的射孔参数，它们之间又相互抑制，深穿透、大孔径、高孔密不可能同时实现，追求深穿透必定以牺牲大孔径和高孔密为代价，同理，高孔密射孔枪必须使用相对小直径的射孔弹，穿孔深度和入口直径都将受到影响。以上分析结果是通过计算机模拟得出的，理想的射孔参数当然会获得更好的产能，但在射孔器设计和制造技术上很难达到或不可能达到理想的射孔参数。

4.1 孔深和孔密的确定

文96气田经过长期开采，地层压力系数降至0.1～0.3，低压地层在钻井和完井过程中不可避免地遭受泥浆和水泥浆的污染，低渗透地层一旦污染很难解除。所以要求在射孔时尽量提高穿孔深度，参考文109井钻井污染深度200mm，那么文96储气库井射孔时穿透深度不应低于200mm，最好在300mm以上，但穿孔深度超过400mm后，产能增加的趋势变缓。

射孔弹厂家公布的射孔器性能数据目前大都是混凝土靶数据，它并不表示在实际地下情况的穿透数据，只有地下实际情况下的穿透数据才能用来评价射孔井的动态。到目前为止，还不能准确测量射孔弹在井下实际穿深，但经过大量实验研究，已经获得了贝雷砂岩靶向实际地层穿透数据的校正方法，对文96储气库地层，射孔在井下实际穿深和贝雷砂岩靶穿深数据接近，混凝土靶穿深数据和贝雷砂岩靶穿深数据关系见图4。由此可以折算，若要求地层中穿深达到300～400mm，则射孔弹在混凝土靶上的穿孔深度必须达到800～1000mm。

图4 根据混凝土靶穿深折算贝雷靶穿

储气库注采井必须满足强注强采要求，由于采气强度大，容易造成地层出砂，高孔密射孔对防止或减少出砂有明显的效果，而且产率比随着射孔密度的增加而增加，在增加到16孔/m后，产率比增加速度变缓。考虑到较高的射孔密度是以牺牲穿孔深度和入口直径为代价的，所以射孔密度在16～25孔/m比较合理。

储气库新钻井采用7″生产套管，目前与127枪配套的深穿透射孔枪弹有DP44RDX38-1弹、DP44RDX-5弹，防砂用的大孔径射孔枪有114枪装配BH48RDX-2弹、127枪装配BH54RDX-3弹。性能指标见表3。

表3 深穿透和防砂用射孔枪弹性能

从满足注采井产能，兼顾防砂需要，进行深穿透、高孔密的射孔枪弹优选。从表3可以看出，127枪DP44RDX-5弹射孔穿深最高，可达856mm；127枪DP44RDX38-1弹射孔穿深次之，但孔密最高可达20孔/m；防砂用射孔枪弹（114枪BH48RDX-2弹、127枪BH54RDX-3弹）射孔穿深均较小，但射孔孔密最高可达到40孔/m。

由于射孔密度从20孔/m增加到40孔/m产率比增幅不大，而射孔密度40孔/m的射孔器穿深只有200mm左右，折合到地层中实际穿深不足100mm，所以不予考虑。

对于穿深达到726mm的DP44RDX38-1射孔弹，弹壳外径已达到46～48mm，虽然可以实现在长度1000mm空间内安装20发射孔弹，但射孔弹外壳间距低于5mm，加之弹壳壁厚较薄，弹间干扰加剧，影响穿深和孔道质量；DP44RDX-5射孔弹壳体外径达到52mm，抗弹间干扰能力强，按16孔/m装配，弹间距还有10.5mm，有效避免弹间干扰，而且孔径Ø12.2mm，比DP44RDX38-1射孔弹形成的孔径Ø10.8mm大1.4mm；储气库要求安全运行时间长，高孔密射孔不利于套管强度的长期保持（射孔参数对套管强度影响见图5）。因此综合考虑优选射孔密度为：16孔/m。

图5 孔径和相位对套管强度的影响

4.2 相位角的确定

对提高产能而言，比较合理的相位角是90°和60°，两者对产能的影响相差甚微，但90°相位角两发射孔弹之间导爆索的距离比60°相位角的长，不利于减小弹间干扰，所以应优先选择60°相位角。

4.3 压实带的改造

所有的聚能射孔弹穿孔后都会在孔道上形成压实带，压实厚度一般1.2～1.3cm，孔隙度下降幅度13.06%～21.79%，渗透率下降幅度71.98%～78.10%。压实带侧面受到的损害远远大于头部损害，轴向流动效率高于径向流动效率（见图6）。

研究表明，射孔孔道压实带对气井产能的影响大于对油井的影响，它可以使气井产能降低20%～30%，所以，对射孔压实带的改造直观重要。负压射孔可以从一定程度上解除地层污染，并使孔眼得到部分清洗，但对压实带的改造效果甚微。目前，广泛使用的复合射孔器—聚能射孔器和高能火药组合可在一定程度上改造孔道压实带，使孔道压实带破碎，并在近井地层形成多条不受地应力控制的微裂缝，进一步降低地层污染的影响。所以在文96储气库射孔时，应在原有射孔参数的基础上增加以改造孔道压实带和降低地层污染为主要目的的复合射孔。

图6 射孔压实伤害示意图

5 射孔参数优化结果

根据文96储气库地质特点和投产工程要求，按照满足产率比相对较大、兼顾防砂需要的原则，结合射孔器设计制造技术，优选射孔参数如下：

射孔器类型：深穿透多脉冲复合射孔器；

射孔枪规格：直井或大斜度井：Ø127mm；水平井：Ø114mm；

射孔弹型号：DP44RDX-5；

孔密：16孔/m；

相位：60°或90°，水平井采取定向射孔；

布孔方式：螺旋布孔；

对非均质严重的部分气井，考虑变密度射孔。

6 结论

对于储气库的射孔方式和射孔参数的优化设计是一件长期、艰巨的任务，研究的成果对油田的持续开发、效益增长、安全提高等都有不可限量的作用。

本文根据已有的理论，针对枯竭型储气库地层的射孔方式及射孔参数进一步进行了分析和研究：

（1）总结归纳了常规的射孔方式，并依此选了针对枯竭型储气库而采取的射孔方式。

（2）详细概述了射孔参数对射孔完井产率比的影响，并量化了产率比与射孔参数（孔深、孔径、孔密、相位角、压实厚度、压实程度、污染程度）的关系。

（3）针对文96枯竭型储气库完井射孔优化了合适的射孔参数组合。

[1]陆大卫.油气井射孔技术[M].2012.

[2]姜必武，程林松，张华.油田动态预测方法研究[J].试采技术，2003,24（1）.

[3] 李克向.实用完井工程[M].北京：石油工业出版社，2012：297-309.

TE972

A

1004-5716(2015)09-0098-05

2014-10-01

2014-10-09

宋宁（1979-），男（汉族），山东曹县人，工程师，现从事测井射孔技术工作。